缝隙杂质浓集实验装置的温度控制系统

李乐斌 彭德全 吕卫星 张平柱 胡石林

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

缝隙杂质浓集实验装置的温度控制系统

李乐斌 彭德全 吕卫星 张平柱 胡石林

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

根据蒸汽发生器传热管与管板间的缝隙杂质浓集实验回路工艺要求和装置特点，设计了一套基于LabVIEW的温度控制系统。介绍了系统的硬件组成与软件功能。实验结果表明：该温度控制系统稳定性好，数据采集连续、直观、准确，操作界面友好，可移植性强，满足工艺要求。

温度控制系统 缝隙杂质浓集实验装置 蒸汽发生器 LabVIEW

蒸汽发生器是压水堆核电站的关键设备之一，其传热管容易受设计、制造及运行等诸多因素的影响而出现缺陷进而造成变形、失效或破裂，因此，蒸汽发生器传热管是一回路压力边界中最为薄弱的环节[1]。随着反应堆运行堆龄的增加，蒸汽发生器传热管与管板间的缝隙腐蚀问题越来越突出，这会造成核电站被迫强制性停堆或提前更换蒸汽发生器等严重事故，甚至是严重的断管安全事故[2]。美国西屋公司对近几年核电站蒸汽发生器传热管破损统计数据的研究表明，七成以上的核电站蒸汽发生器传热管腐蚀损坏都是由蒸汽发生器传热管与管板之间的缝隙区杂质浓集引起的。为此，美国电力研究所和压水堆电站合作成立了蒸汽发生器工作组，根据核电站蒸汽发生器运行过程中出现的缝隙腐蚀问题开展了有效研究，掌握了缝隙杂质浓集的规律，开发了缝隙杂质返回技术，并在换料维修期间降功率运行过程中实施了缝隙杂质返回技术[3]。在此，笔者根据蒸汽发生器传热管与管板间的缝隙杂质浓集实验装置的工艺要求与特点，建立了一套基于LabVIEW的高压釜温度控制系统，利用仪器仪表、功能卡件、工控机和LabVIEW软件功能实现温度的精确控制，满足缝隙杂质返回工艺的要求。

1 实验装置简介①

蒸汽发生器传热管与管板间的缝隙杂质浓集实验装置的回路材料全部采用304ss不锈钢。主回路系统设计压力7MPa，设计温度300℃，最大流速65L/h，总容积约100L。主要部件包括实验段、高压釜、预热器、套管换热器、冷却器、过滤器、减压阀、稳压缓冲器、收集箱和精密柱塞泵。实验装置模拟蒸汽发生器传热管的工作环境，其关键技术之一就是对实验段、高压釜和预热器进行温度控制。

2 系统硬件组成

传统的高压釜或电阻炉温度控制是利用温控仪表通过交流接触器直接控制加热器实现的，该方式噪音大、可靠性低、控制精度低、安全隐患大且没有生产记录。为了克服这些问题，本系统硬件选用研华610H工控机、数据采集板卡PCI1747U、模拟量输出卡PCI1727、继电器卡PCI1762和RS485通信卡PCI1622C，设计的缝隙杂质浓集实验装置温度控制系统结构框图如图1所示。系统采用温控仪和软件进行PID调节，输出4～20mA信号控制电力调整器，工控机与仪表进行RS485通信。工艺要求实验段加热功率2kW，高压釜加热功率3kW，预热器加热功率5kW。为此，高压釜和预热器的温度调节采用温控仪表AI-708P和电力调整器实现，并通过计算机通信完成仪表参数设置。实验段温度控制采用电力调整器、模拟量输出卡PCI1727和LabVIEW提供的外挂PID控制工具包实现。同时，压力、液位信号通过模拟量输入卡PCI1747U采集，报警与安全联锁功能通过继电器卡PCI1727实现。电力调整器选择PAC01A，4～20mA控制信号作为电源，利用10kΩ电位器对外部电压进行调整。电力调整器能够依据输入信号的值控制晶体闸流管对每一个频率做切割，可连续输出，没有断续现象。

图1 缝隙杂质浓集实验装置温度控制系统结构框图

3 系统软件

系统软件采用LabVIEW实现，其函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据LabVIEW标志显示及数据存储等[4]。传统的文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，由程序框图中节点之间的数据流向决定VI和函数的执行顺序[5,6]。

3.1通信功能

高压釜和预热器部分的温度控制由AI仪表完成，它具有PID调节功能，通过RS485接口实现与工控机的PCI1622C通信卡通信，完成温度采集、设定及报警等功能。编写LabVIEW与仪表通

信程序框图时主要用到的函数有VISA Conflgure Serial Port、VISA Write、属性节点、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、数据比特及奇偶性等；然后写入命令，使仪表工作在要求的模式下；其次读取仪表参数值，即写入读取参数值的命令。由于仪表存储数据的地址是连续的，因此，可以在写入读取地址时编写一个for循环程序，执行一次for循环读取地址加一，最后一次性地把数据读取出来并存储到数组中。在读写命令之间需要增加延时等待命令，这样可以使程序执行更流畅。仪表控制前面板如图2所示，部分仪表通信程序如图3所示。

图2 仪表控制前面板

图3 部分仪表通信程序

3.2数据采集功能

压力和液位传感器输出4～20mA信号，经过调理后变成1～5V信号进入数据采集卡PCI1747U。在NI驱动程序支持下采用DeviceOpen.vi、AIConfig.vi、AIvoltageIn.vi及DeviceClose.vi等函数，对PCI1747U进行控制采集电压信号，最后进行数据处理得到压力和液位信号。编写程序时首先确定采集卡物理地址、通道号、增益值、测量范围、单端输入及差分输入等，然后打开通道驱动读取数据，读数结束后关闭通道驱动。为了保证数据的正确性，通常需要采集多个数值后求取平均值，最后将数据换算，转换数据格式，显示并存储到相应数组中。

3.3控制功能

系统控制输出包括PID控制输出和开关量报警输出两个功能。

PID控制输出程序(图4)中，首先通过温度仪表(支持RS485通信接口)的通信功能实时采集温度信号，然后将实时温度值与期望设定值进行比较，选择合适的PID参数，经PID控制运算后，输出控制信号(-100%～100%)；控制信号经过数据换算后送到数据采集卡PCI1727的模拟量输出通道，再通过端子板连接到电力调整器的输入端，其中电力调整器的输入信号范围是4～20mA。

图4 PID控制输出程序

开关量报警输出原理是将采集到的工艺参数与报警设定值进行比较，高于设定值时程序输出真信号，低于设定值时输出假信号。真、假信号驱动不同的程序段。本系统中真信号作为报警与联锁的触发信号，信号触发后PCI1762板卡相应通道的某一位被置为1，使该通道继电器触点闭合，从而驱动外围报警或联锁电路工作。编写PCI1762板卡驱动程序时，首先初始化板卡物理地址和通道地址，打开驱动程序DriverOpen.vi，写入通道数、所在位及其状态数据(0或1)，最后关闭驱动DriverClose.vi。由于LabVIEW的执行速率非常高，如果报警数据比较多，在写入数据后和关闭驱动前应分别延时等待一段时间，以确保数据顺利写入。

4 结束语

笔者针对由蒸汽发生器传热管与管板之间的缝隙区杂质浓集引起的腐蚀问题，根据已建的试验装置和工艺要求，设计了一种基于LabVIEW的温度控制系统。该系统以工控机为核心，通过各种板卡、仪表和LabVIEW软件实现了对设备的温度控制。经过几个月的试运行，控制系统运行稳定可靠，控制精度高，节约能耗，满足工艺要求，保证了实验的顺利进行，且便于维护，检修方便。

[1] 张伟国,高凤琴,周洪毅.PWR核电站蒸汽发生器传热管和主管道的应力腐蚀破裂研究[J].原子能科学技术,1993,27(4): 367～375.

[2] 胡石林,刘淑敏,张伟国.PWR蒸汽发生器传热管与管支撑板的缝隙浓集研究[R].北京:中国原子能科学研究院,1995.

[3] 彭德全,胡石林,张平柱,等.304L在模拟压水堆一回路条件下长期均匀腐蚀性能的研究[J].中国腐蚀与防护学报,2013, 33(4):288～292.

[4] 陈锡辉,张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2007.

[5] 闫金银,王亚刚,孙会兵.带夹套的反应釜温度控制器及LabVIEW实现[J].化工自动化及仪表,2011,38(11):1291～1293.

[6] 严中红,郭文娟,罗堪.基于LabVIEW的电阻炉温度控制系统设计[J].重庆理工大学学报(自然科学版),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)