温度自动控制试验研究

戴胜龙 张 斌 王用超

（中国核动力研究设计院 第一研究所，四川 乐山614100）

0 引言

核电站反应堆控制棒位置传感器检测装置是反应堆安全运行的重要保障，一旦出现故障将严重危及反应堆安全运行。 国内一核电站控制棒位置传感器检测装置在反应堆运行时出现热态断路故障，为了准确找出位置传感器检测装置故障原因， 以便制定有效的预防措施，经过安全性、可行性、合理性多方面分析论证，决定设计一套工况模拟加热装置，进行温度自动控制试验研究，以满足系统的温升要求，并按要求进行热容试验、温度自动控制、模拟压力跟随控制试验，以修正实际温升与理论计算的偏差，使其温控特征达到设计指标要求。 研究过程包括参数计算、设备选型、试验实施三个阶段，下面将对具体过程进行详细叙述。

1 计算工艺过程所需的热量

1.1 工况模拟容器热容计算

工况模拟容器热容计算公式：

计算公式中：

Q1热容为工况模拟容器加热至设定温度所需的热容；C1为容器的比热，钢的比热：0.12 kcal/(kg·℃)；M1 为容器质量，容器质量：680kg；△T 为温升，温升：260℃。

将以上参数代入公式计算工况模拟容器热容为：21216kcal。

1.2 加热介质热水计算

工况模拟容器内介质为水，水的热容计算公式：

Q2热容为工况模拟容器内的水加热至设定温度所需的热容；C2为介质（水）的比热，水的比热：kcal/(kg·℃)；M2为介质（水）质量，介质（水）质量：150 kg；△T 为温升，温升：260℃。

将以上参数代入公式计算工况模拟容器内水的热容为：39000kcal。

1.3 保温层的热耗损计算

保温层热耗损计算公式：

Q热耗损系统加热过程中保温层的热损失；δ 为保温层散热量，硅酸盐散热量：32W/m2S1 为保温层面积，保温层面积：3.95m2。将以上参数代入公式计算保温层的热耗损为：54.6kcal。

1.4 系统总热容

系统总热容为工况模拟容器热容、 工况模拟容器内水的热容、保温层热耗损之和。

将以上各计算值代入公式计算系统总热容为：60270.6kcal。

2 电加热元件功率计算

电加热元件功率计算公式：

将以上系统总热容计算值代入公式计算电加热元件功率为：69.8kW。

考虑1.2 的安全系数，最终选取电加热元件的总功率为：90kW。

3 电加热元件的形式、尺寸及数量

3.1 电加热元件的形式

考虑工况模拟容器的尺寸及安装位置，电加热元件选取单端管式元件，元件外套管选用耐高温高压的不锈钢材料。

3.2 电加热元件的尺寸

根据工况模拟容器的尺寸及安装位置， 电加热元件的外径为：Φ25mm，长度为4500mm。

3.3 电加热元件的数量

根据工况模拟容器的尺寸及安装位置， 电加热元件总计3 根，每根功率为30 kW。

4 加热装置的主回路及控制回路

4.1 加热装置的主回路

电加热元件采用电力调整器进行功率调节，电力调整器输出电压0-380V 范围可调。为有效保护电力调整器，在电力调整器主回路输入端介入快速熔断器，进行短路及过载保护。3 根电加热元件Y 形接法，加热装置主回路原理图如图1 所示。

4.2 加热装置的控制回路

加热装置控制回路原理图如图1 所示。电加热元件控制回路分为自动控制方式、手动控制方式。

图1 加热装置主回路及控制回路原理图

自动控制方式：利用外部启停开关启动系统，加热过程中的温度信号经PID 调节后送至电力调整器控制输出电压，从而控制电加热元件功率。 自动控制方式中R1、R2 之间必须用短接片连接。

手动控制方式：利用外部启停开关启动系统，加热过程中手动调节可调电位器控制电力调整器输出电压， 从而控制电加热元件功率。手动控制方式中R1、R2 之间必须取掉短接片。

5 试验实施情况

5.1 热容试验

热容试验系统示意图如图1 所示。 其系统主要由1 台电控柜、1个水箱、9 根管式电加热元件、4 支热电偶和保温层等组成。 电控柜用于处理热电偶采集的温度信号， 并输出可调电压调节电加热元件功率；水箱为加热介质（水）的容器；保温层覆盖于水箱外表面，用于减少水箱的热损失；电加热元件安装于水箱底部，用于加热介质（水）至设定温度；热电偶安装于水箱内部，用于采集介质（水）的温度信号。

5.1.1 自动定速升温

（1）将管式电加热元件以3 根为一组连接成星形接法，并分别编号为：1#、2#、3#，将这三组电加热元件连接至电力调整器输出端；

图2 热容试验系统示意图

（2）将4 支热电偶探头按500mm 间隔安装于水箱上，分别编号1#、2#、3#、4#，并将热电偶输出线连接至控制系统接线端子；

（3）将容器充入约700kg 的自来水；

（4）将控制程序升温上限设置为99℃，选择开关置于“自动”位置；

（5）启动1# 电加热元件组进行进行了三次自动定速升温试验；

（6）记录将水加热至99℃的时间；

（7）分别测量电力调整器信号输入端触发电流、主回路输出端电压、电流值，测量数据记录于附录A 中；

（8）启动1#、2# 电加热元件组进行了三次自动定速升温试验；

（9）记录将水加热至99℃的时间；

（10）分别测量电力调整器信号输入端触发电流、主回路输出端电压、电流值，测量数据记录于附录A 中；

（11）启动1#、2#、3#电加热元件组进行了三次自动定速升温试验；

（12）记录将水加热至99℃的时间；

（13）分别测量电力调整器信号输入端触发电流、主回路输出端电压、电流值，测量数据记录于附录A 中；

（14）将测量的电压、电流、时间取平均值后计算功率、温升速度，计算结果记录附录A 中；

（15）从试验情况来看，当采用一组电加热元件（功率约27kW）时，温升速度约为112℃/h，低于设计要求350℃/h；当采用两组电加热元件（功率约52kW）时，温升速度约为252℃/h，低于设计要求350℃/h；当采用三组电加热元件（功率约79kW）时，温升速度约为370℃/h，高于设计要求350℃/h；

（16）依据试验数据，功率为80kW 的电加热元件即可满足设计的温升速度要求，考虑一定的的安全系数，最终确定电加热元件的功率为90kW。

5.1.2 手动可调速升温

（1）将控制系统选择开关置于“手动”位置；

（2）启动1#、2#、3#电加热元件组进行了三次手动可调速度升温试验；

（3）升温过程中调节电力调整器可调电位器R，测量的电加热元件组电压、电流、加热时间等数据记录于附录A 中；

（4）根据测量的数据计算功率、温升速度，计算结果记录于附录A 中；

（5）从试验情况来看，可调电位器R 的电压与电力调整器输出电压成线性关系， 即可调电位器R 的电压与电加热元件的功率成线性关系；

（6）当可调电位器R 的电压为4V 时，此时系统的温升速度为304℃/h，低于设计温升要求350℃/h；当可调电位器R 的电压为4.8V 时，此时系统的温升速度为351℃/h，基本符合设计温升要求350℃/h；当可调电位器R 的电压为5V 时， 此时系统的温升速度为381℃/h， 高于计温升要求350℃/h；

（7）依据设计温升要求350℃/h，将PLC 控制程序手动模式修改为功率可调节方式，以实现不同环境下的温升速度要求。

5.2 温度自动控制试验

温度自动控制试验系统示意图如图2 所示。其系统主要由1 台电控柜、1 个容器、3 组绳式电加热元件、6 支热电偶、保温层等组成。 电控柜用于处理热电偶采集的温度信号，并输出可调电压调节电加热元件功率；容器用于安装绳式电加热元件及支撑保温层；绳式电加热元件安装于容器外表面，用于加热介质（空气）至设定温度；热电偶安装于容器内部，用于采集介质（空气）的温度信号。

5.2.1 自动温度控制

（1）将3 组绳式电加热元件敷设于容器外壁，并敷设保温层；

（2）将三组电加热元件以星形接法连接于电力调整器输出端；

（3）将6 枝温度传感器探头按1 米间隔布置于容器中，分别编号：#1、#2、#3、#4、#5、#6，并将温度传感器输出线连接至控制系统接线端子；

图3 温度自动控制试验系统示意图

（4）将控制程序升温上限设置为280℃；

（5）将控制系统选择开关置于“自动”位置；

（6）将控制系统PID 参数整定设置为“自动”；

（7）启动系统进行了三次自动温度控制试验；

（8） 控制系统停止加热时，6 个温度传感器测量的温度数据记录于附录B 中；

（9）6 个温度传感器测量的开始下降前的最高温度数据记录于附表B 中；

（10）将最高温度取平均值计算280℃时的温度控制精度，计算数据记录于附录B 中；

（11）自动温度控制时（即自动PID 参数整定），平均温度控制精度最小为7.75%，最大为8.19%；

（12）从实验情况来看，依据系统自动整定的PID 参数进行温度控制都不满足设计要求的平均温度控制精度：280℃±5%。

5.2.2 手动PID 参数整定

（1）将控制系统PID 参数整定设置为“手动”；

（2）输入比例、积分、微分控制参数，并将数据记录于附录B 中；

（3）启动控制系统进行了多次温度控制试验；

（4）控制系统停止加热时，6 个温度传感器测量的温度数据记录于附录B 中；

（5）6 个温度传感器测量的开始下降前的最高温度数据记录于附表B 中；

（6）将最高温度取其平均值依据设计要求（280℃±5%）计算280℃时的温度控制精度，系统积分、微分控制参数等数据记录于附录B 中；

（7）从试验情况来看，用手动PID 参数进行温度控制，其平均温度控制精度均满足设计要求；

（8）试验数据也表明，要对滞后量较大的温度进行控制，需设置较大的微分参数对系统进行提前控制，并且足够大的积分参数（接近最大设置上限）对滞后量较大的温度控制效果尤为明显。

5.3 模拟压力跟随控制试验

模拟压力跟随控制试验系统示意图如图3 所示。 其系统主要由1台电控柜、1 个容器、3 组绳式电加热元件、6 支热电偶、1 台信号发生器和保温层等组成。 电控柜用于处理热电偶采集的温度信号，并输出可调电压调节电加热元件功率；容器用于安装绳式电加热元件及支撑保温层；绳式电加热元件安装于容器外表面，用于加热介质（空气）至设定温度；热电偶安装于容器内部，用于采集介质（空气）的温度信号；信号发生器用于模拟升温过程中的压力信号。

图4 模拟压力跟随控制试验系统示意图

5.3.1 信号发生器模拟系统压力信号

（1）将信号发生器连接于控制系统压力信号输入端子；

（2）将PLC 模拟量控制模块依据系统设计最大压力范围（0 MPa-25 MPa）进行零位及满量程刻度；

（3）将信号发生器输出信号选择为“4 mA -20mA”，输出旋钮旋至最低位；

（4）启动控制系统自动升压，逐步加大信号发生器输出信号，控制系统显示的对应压力值记录于附录C 中。

5.3.2 升温过程中模拟压力跟随控制

（1）将控制系统程序温度上限值设定为300℃，压力值按表1 设置;

（2）调节信号发生器输出旋钮，控制系统显示压力值为0.5 MPa；

（3）启动控制系统进行自动升温、模拟压力跟随控制试验；

（4）升温过程中按表1 系统程序压力设定依次调节信号发生器输出旋钮，使控制统显示的压力值与相应的温度对应，加热单元、加压单元运行情况记录于附录D 中；

（5）系统温度为100℃时，切除加热单元，检查系统安全状态及加热单元、加压单元运行情况并记录于附录D 中；

（6）在确认系统安全状态正常后启动电控制系统继续升温；

（7）系统温度为200℃时，切除加热单元。 检查系统安全状态及加热单元、加压单元运行情况并记录于附录D 中；

（8）调节信号发生器输出旋钮，控制系统显示压力值为0.5 MPa；

（9）启动控制系统进行自动升温、模拟压力跟随控制试验；

（10）升温过程中按表1 系统程序压力设定依次调节信号发生器输出旋钮，使控制系统显示的压力值与相应的温度对应，加热单元、加压单元运行情况记录于附录D 中；

（11）系统温度为100℃时，切除加热单元，检查系统安全状态及加热单元、加压单元运行情况并记录于附录D 中；

（12）在确认系统安全状态正常后启动电控制系统继续升温；

（13）系统温度为200℃时，切除加热单元。 检查系统安全状态及加热单元、加压单元运行情况并记录于附录D 中；

（14）在确认系统安全状态正常后启动控制系统继续升温；

（15）系统温度为300℃时，切除加热单元。 检查系统安全状态及加热单元、加压单元运行情况并记录于附录D 中；

（16）从试验情况来看，升温过程中的压力设置参数均大于对应温度下的饱和蒸汽压，保证了各个单元功能的正常以及整个系统的安全。

5.3.3 保温过程中模拟压力跟随控制

（1）当系统显示温度300℃时，调节信号发生器输出旋钮，当系统显示压力值分别为10MPa、10.1MPa、10.2MPa 时，变频器为运行状况，KM8、KM9（KM8、KM9 分别为下限和上限压力设定的动作元件）接触器断开（无动作），符合设计要求，试验情况记录于附录E 中；

（2）变频器启动运行后，调节信号发生器输出旋钮，当系统显示压力值分别为10.3、10 .4MPa 时， 变频器停止，KM8、KM9 接触器断开（无动作），符合设计要求，试验情况记录于附录E 中；

（3）调节信号发生器输出旋钮，当系统显示压力值分别为13.6MPa、13.7MPa、13.8 MPa 时变频器停止，KM8、KM9 接触器断开（无动作），符合设计要求，试验情况记录于附录E 中；

（4）调节信号发生器输出旋钮，当系统显示压力值分别为13.9MPa、14.0MPa 时，变频器停止，KM9 接触器闭合（开启泄压阀进行泄压），符合设计要求，试验情况记录于附录E 中。

6 结论

温度自动控制试验依据制定的方案实施，完成了热容试验、温度自动控制实验、模拟压力跟随控制试验等内容，达到了试验目的：

（1）通过试验，验证了控制系统具有较高可靠性，以及对温度控制的有效性；

（2）通过试验，确定了理论计算电加热功率、温升速度完全满足设计要求；

（3）通过试验，最终确定了PID 整定参数、温度控制程序；

（4）通过模拟试验确定了跟随控制整定参数，修正压力控制程序。

这次试验研究，验证了工况模拟装置完全能够提供位置传感器检测装置实际工况。 在随后的工作中，通过这套工况模拟装置提供给位置传感器检测装置实际工况条件，对其进行故障分析，准确地查出了位置传感器检测装置故障原因，杜绝了故障的再次发生，保证了反应堆的安全运行，圆满地完成了任务。

执行标准

GB/T 10067.1-2005 电热装置基本技术条件

GB/T 13869-2008 用电安全导则

GB/T 18404-2001 铠装热电偶电缆及铠装热电偶

控制系统温度自动控制试验过程中产生的数据记录于附录中。

附录B：自动温度控制试验记录表

附录C：信号发生器模拟系统压力信号记录表

附录D：升温过程中模拟压力跟随控制记录表

附录E：保温过程中模拟压力跟随控制记录表