CARR重水濃縮監(jiān)控系統(tǒng)改進與實現(xiàn)

徐鳳霞 羅忠

中國原子能科學研究院反應堆工程技術研究所 北京 102413

引言

CARR重水濃縮監(jiān)控系統(tǒng)功能是監(jiān)測CARR重水濃縮系統(tǒng)工藝過程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、顯示、報警、數(shù)據(jù)存儲及設備的操作控制等。監(jiān)控系統(tǒng)由就地控制站，就地工作站和遠程操作員站組成[1]。就地控制站從重水濃縮各工藝過程中采集溫度、壓力、流量和電壓等信號進行濾波和調理，轉換為計算機數(shù)字信號，完成數(shù)據(jù)采集；就地工作站提供重水濃縮監(jiān)控系統(tǒng)運行界面，同時用于軟件的開發(fā)和調試工作；遠程操作員站對重水濃縮監(jiān)控系統(tǒng)進行實時遠程監(jiān)控。

重水濃縮監(jiān)控系統(tǒng)PLC控制站安裝較早，重水濃縮系統(tǒng)及其監(jiān)控系統(tǒng)調試開展較晚，其中監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)、安裝調試人員變動大，系統(tǒng)一直處于未完成狀態(tài)，我們在原有硬件的基礎上，按照重水濃縮的工藝要求進行軟硬件的再開發(fā)。上位機監(jiān)控軟件選用與CARR堆DCS監(jiān)控軟件一致人機界面開發(fā)與編程軟件，方便工作人員進行操作和維護；硬件按照要求增加“電解電源功率調節(jié)”和“通風流量”的監(jiān)測通道。另外，在原CARR重水濃縮監(jiān)控系統(tǒng)增加一個遠程操作員站，方便運行人員對該系統(tǒng)進行遠距離監(jiān)測和控制。本文對相關開發(fā)測試內容進行介紹。

1 重水濃縮監(jiān)控系統(tǒng)介紹

CARR重水濃縮系統(tǒng)采用電解法將帶放射性的重水進行濃縮，主要由電解濃縮裝置、催化氫氧合成裝置和除堿純化裝置三部分及相應的儀表、控制與輔助設施組成。重水濃縮系統(tǒng)在電解過程中產生易于爆炸的氫氧氣，而且重水還有堿性電解質，因此系統(tǒng)運行的安全性尤為重要[2]。為了保證重水濃縮過程中的安全，設計了CARR重水濃縮監(jiān)控系統(tǒng)。

CARR重水濃縮監(jiān)控系統(tǒng)用于CARR工程重水濃縮裝置供電、控制、儀表系統(tǒng)的監(jiān)控。為實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的各項基本功能，提高集中監(jiān)測控制能力，提高系統(tǒng)的安全性、可用性和可操作性，分別在就地開關柜旁和操作室各設1臺監(jiān)控計算機，作為就地工作站和遠程操作員站，通過現(xiàn)場PLC控制站，對CARR重水濃縮生產過程的監(jiān)測和控制，重水濃縮監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示：

圖1 重水濃縮監(jiān)控系統(tǒng)

2 軟件開發(fā)

監(jiān)控軟件設計過程包括系統(tǒng)設計和工程組態(tài)，系統(tǒng)設計完成數(shù)據(jù)庫組建與HMI功能規(guī)劃，工程組態(tài)包括對監(jiān)控圖形組態(tài)及動態(tài)點連接。最后進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫點檢查、報表與打印檢查，完成現(xiàn)場調試。

系統(tǒng)人機界面分為9個操作畫面，包括系統(tǒng)流程圖、數(shù)值顯示、數(shù)值設定、采集監(jiān)視、參數(shù)調整、手動操作、電解電源、報警、趨勢。監(jiān)控系統(tǒng)人機畫面如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)人機畫面

系統(tǒng)流程圖：運行人員可以在此看到系統(tǒng)的整個工藝流程畫面。

數(shù)值顯示：用于實時顯示重要的系統(tǒng)參數(shù)，如蒸發(fā)器的溫度、水位，穩(wěn)壓罐壓力等信號的運行值。

數(shù)值設定：在規(guī)定范圍內對蒸發(fā)器調壓器壓力參數(shù)的調整。通過改變對應PLC模擬量輸入模塊的電壓值，對蒸發(fā)器調壓器的壓力進行設定。

采集監(jiān)視：用于實時顯示系統(tǒng)設備的運行狀態(tài)，比如蒸發(fā)器及合成室的開關狀態(tài)，運行狀態(tài)，是否允許遙控狀態(tài)等。

參數(shù)調整：根據(jù)運行要求對系統(tǒng)參數(shù)的可運行范圍進行設定，比如對蒸發(fā)器水位的上下限，合成室溫度的上下限，通風流量的下限，穩(wěn)壓罐壓力的下限等進行設定。

手動操作：用于對重要運行設備的強制手動操作。在緊急情況或事故工況下，運行人員可直接在手動操作界面上對系統(tǒng)設備進行投入或切除。

電解電源：在此畫面中直接對電解電源的功率進行數(shù)值設定操作，避免了在大功率的電氣柜上手動操作的安全隱患。

報警：當出現(xiàn)運行參數(shù)越限時或事故工況時，運行人員可直接觀看到系統(tǒng)的當前報警狀態(tài)并發(fā)出聲音報警信號。

趨勢：將所選參數(shù)的運行數(shù)據(jù)以曲線趨勢圖的形式實時顯示出來，便于工作人員實時監(jiān)督和分析。

3 增加供電控制和通風監(jiān)測通道

電解法重水濃縮的原理是利用氫同位素氕、氘動力學性質的差別，根據(jù)氕和氘在電極上析出的速度不同進行分離，從而使氘隨著電解過程的進行不斷在液體中富集，以獲得高濃度重水。大量的氕和少量氘富集于電解逸出氣中，再經過合成后生成含少量氘的水即低濃度重水。重水濃縮工藝中原料重水的電解和低濃重水的再合成是整個重水濃縮的關鍵。在電解和合成工藝中涉及氫氣和氧氣，氫氣和氧氣濃度在達到一定值時有發(fā)生爆炸的風險，因此系統(tǒng)的安全性需要特別考慮。監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要作用就是當關鍵參數(shù)達到整定限值時給出提前預警信號，以便于操作人員采取相應措施，監(jiān)控系統(tǒng)也可通過相關聯(lián)鎖進行自動調節(jié)，消除潛在發(fā)生爆炸的風險。

重水濃縮監(jiān)控系統(tǒng)原設計雖然對一些安全相關參數(shù)進行了設定，但是還不夠完善。為了進一步提高系統(tǒng)重水濃縮時的安全性，對原設計進行了升級改造。在原有控制站基礎上進行了擴展，增加了“電解電源功率調節(jié)”和“通風流量”的監(jiān)測通道。

監(jiān)控系統(tǒng)改造之前，供電系統(tǒng)“電解電源功率調節(jié)”信號并未接入PLC控制站，而是通過在獨立的電控柜上手動操作來調整電解電流值。工作人員觀察到顯示數(shù)據(jù)后再去手動操作，需要一定的響應時間[3]。而且重水濃縮系統(tǒng)工作中電解電流較大，工作人員手動操作存在安全風險，因此將電解電源的電流和電壓信號接入PLC控制站，增加“電解電源功率調節(jié)”的監(jiān)測通道，實現(xiàn)在監(jiān)控計算機對電流的自動調節(jié)，既能做到快速及時響應，又消除了工作人員在電控柜上進行大電流手工操作的安全隱患。

原料重水電解后會產生氫氣和氧氣，屬于爆炸性氣體，在設計中嚴格控制溫度和壓力，并用循環(huán)氦氣稀釋降低爆炸氣體濃度以避免氫氧混合氣的爆炸。為保護設備和避免氫氧混合氣的爆炸，系統(tǒng)中裝有爆破膜，一旦發(fā)生爆炸可從爆破膜處卸壓，氫氧混合氣將釋放到重水濃縮主工藝間，若通風流量不足，有可能再次發(fā)生爆炸，因此對主工藝間通風量有嚴格的要求。監(jiān)測“通風流量”參數(shù)是保證主工藝間通風良好的重要安全措施，為了實時監(jiān)測通風流量，在PLC控制站增加了“通風流量”的監(jiān)測通道，當通風流量低于正常運行值的85%時給出報警信號，低于正常運行值的70%時則自動降低電解電源的電流，停止電解電源工作，使原料重水不再發(fā)生電解，從而保證主工藝間內的爆炸性氣體含量不會超過限值。

4 改進后監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

監(jiān)測功能：所有CARR重水濃縮供電回路的斷路器運行狀態(tài)、各主要設備的電流/電壓信號、溫度、壓力信號、儀表提供的所有測量參數(shù)均匯總到PLC。由PLC進行實時監(jiān)測并在就地及遠控計算機上實時顯示，同時進行歷史記錄和報表處理。

控制功能：當CARR重水濃縮各主要設備上的調壓器、溫控模塊超出限值報警或出現(xiàn)特定事故工況時，PLC均發(fā)出報警信號，并產生相應的反饋信號：切斷主要設備的供電，從而停止重水濃縮。待故障排除后，根據(jù)需要再給出相應的信號，使系統(tǒng)再次運行。

報警記錄功能：各運行參數(shù)及故障、事故報警信號在監(jiān)控計算機上實時顯示、超值文字提示和定時記錄存盤。

顯示功能：在標準畫面和用戶組態(tài)畫面上，匯集和顯示運行信息，運行人員據(jù)此對供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)視和控制。

重水濃縮監(jiān)控系統(tǒng)于2014年年底完成了所有軟件、硬件及通訊的調試，已交付使用。改造后的重水濃縮監(jiān)控系統(tǒng)功能更加完善，保證了重水濃縮系統(tǒng)后續(xù)工作的順利開展。

5 結束語

改進后的重水濃縮系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字化在線監(jiān)控，采用國際先進的工控組態(tài)軟件進行開發(fā)，人機界面操作簡潔，布局合理，提供了友好的人機操作界面，通過直觀形象的輸出文字、數(shù)據(jù)和圖形，使工作人員更方便地控制、管理重水濃縮各設備的運行。實現(xiàn)了重水濃縮生產工藝的自動化控制，提高了重水濃縮的生產效率，增加“電解電源功率調節(jié)”和“通風流量”的監(jiān)測通道后進一步消除了安全隱患，進而提高了系統(tǒng)集中監(jiān)測控制能力，保證了重水濃縮生產過程的安全性、可靠性和可操作性。

監(jiān)控系統(tǒng)的改進工作完善了監(jiān)控系統(tǒng)功能，達到了重水濃縮監(jiān)控系統(tǒng)設計要求。保證了CARR重水濃縮系統(tǒng)后續(xù)工作的順利開展。