CC BY
20
УДК 66.012-52+66.028-531.3
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЗАГРУЗКИ ОКСИДОВ УРАНА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ ФТОРИРОВАНИЯ
© О.В. Арсентьев1, С.Н. Кладиев2, В.Б. Терёхин3, А.А. Филипас4
1Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30.
3,4Северский технологический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета МИФИ,
636036, Россия, Томская обл., г. Северск, пр. Коммунистический, 65.
Исследована возможность управления и контроля процесса загрузки оксидов урана в пламенный реактор. Предложен алгоритм действий оператора в случае отклонений технологического процесса от регламентных норм. Частотно-регулируемый электропривод шнека-питателя позволяет осуществлять контроль нагрузки на валу шнека. Имея достаточную информацию в ходе технологического процесса, оператор имеет возможность оптимальным образом вести технологический процесс, прогнозировать и предотвращать аварийную ситуацию при работе АСУ ТП в режиме советчика. Ил. 5. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: шнек-питатель; регулирование расхода; моделирование систем электропривода; автоматизация.
AUTOMATED CONTROL SYSTEM OF URANIUM OXIDE LOADING INTO TECHNOLOGICAL APPARATUSES OF FLUORIDATION
O.V. Arsentyev, S.N. Kladiev, V.B. Teryokhin, A.A. Filipas
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074. Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Av., Tomsk, Russia, 634050.
Seversk Technological Institute, Branch of National Research Nuclear University of MePhI, 65 Kommunisticheski Av., Seversk, Tomsk Region, Russia, 636036.
The paper studies the possibility to control the process of loading uranium oxides into the flame reactor. The algorithm of operator's actions is offered on the condition that the technological process comes out of the regulation rates. Variable frequency electric drive of the feeding screw allows to control the load on the screw shaft. Having sufficient information in the course of the technological process, the operator is able to maintain the flow process properly, predict and prevent emergencies under the hint mode of the automated control system. 5 figures. 7 sources.
Key words: feeding screw; flow rate control; simulating electric drive systems; automation.
Оксиды урана являются важнейшими промежуточными соединениями при переработке природного урана, отработанного ядерного горючего и оружейного урана в ядерное топливо энергетических реакторов, во фториды урана и в металлический уран [1].
Фторирование оксидов урана является важным промежуточным этапом в технологии производства высокообогащенного, а также энергетического низко-обогащенного урана, используемого в качестве топлива в большинстве ядерных реакторов для производ-
1Арсентьев Олег Васильевич, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой электропривода и электрического транспорта, тел.: 89148751743, e-mail: [email protected]
Arsentyev Oleg, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of Department of Electric Drive and Electric Transport, tel.: 89148751743, e-mail: [email protected]
2Кладиев Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электропривода и электрооборудования, тел.: (3822) 563759, 89138128813, e-mail: [email protected]
Kladiev Sergey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Drive and Electrical Equipment, tel.: (3822) 563759, 89138128813, e-mail: [email protected]
3Терёхин Вячеслав Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры электроники и автоматики физических установок, тел.: (3823) 780265, 89610954510, e-mail: [email protected]
Teryokhin Vyacheslav, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electronics and Automation of Physical Plants, tel.: (3823) 78-02-65, 89610954510, e-mail: [email protected]
4Филипас Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры электроники и автоматики физических установок, тел.: (3823) 780297, 89138715721, e-mail: [email protected]
Filipas Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electronics and Automation of Physical Plants, tel.: (3823) 780297, 89138715721, e-mail: [email protected]
ства тепловой и электрической энергии [2]. Переработка отслужившего свой срок высокообогащённого урана в низкообогащённый проходит через стадию его фторирования в технологических аппаратах - пламенных реакторах после экстракционного пьюрекс-процесса [3] или получения оксидов урана термическим разложением тетраураната аммония в атмосфере азота [4]. Смесь оксидов урана в виде твёрдого сыпучего порошка сгорает в элементарном фторе, превращаясь в гексафторид урана [5]. Процесс получения гексафторида урана необходимо контролировать в реальном времени, так как соблюдение точного соотношения дозируемого твёрдого порошка оксидов урана и газообразного фтора необходимо для высокой степени извлечения урана в 11Р6 при минимальном расходе фтора. Если технологический процесс фторирования оксидов урана происходит в нештатном режиме и нарушается динамика процесса горения, степень коррозии конструктивных элементов пламенного реактора многократно увеличивается и происходит быстрый выход его из строя. Процесс дозирования радиоактивных оксидов урана в закрытый защитной оболочкой аппарат (пламенный реактор) ведётся косвенным объёмным методом посредством регулирования частоты вращения шнека-питателя. Поэтому одновременно с частотой вращения шнека необходимо контролировать нагрузку на его валу. Для повышения функциональной надёжности системы загрузки твёрдого компонента применён частотно-регулируемый электропривод модели РС-302 фирмы Ов^овв с мотор-редуктором на базе асинхронного двигателя мощностью 1,5 кВт.
Исследования режимов работы данной установки проведены на имитационной модели частотно-регулируемого электропривода шнека-питателя с ориентацией вектора потокосцепления ротора по оси х подвижной системы координат. Механическая часть системы дозирования исследовалась для разных видов уранового сырья с учётом изменяемого состава оксидов урана и соответственно разной вязкости порошкообразного компонента.
Важной задачей автоматизации является разработка алгоритма действий оператора при различных отклонениях процесса дозирования от штатного хода технологического процесса: момент сопротивления вращению на валу шнека медленно и устойчиво растёт, момент нагрузки растёт скачкообразно, происходит заклинивание и остановка шнека. Всё это в совокупности ставит задачу идентификации причин нештатных ситуаций в ходе технологического процесса.
Расчёт параметров схемы замещения асинхронного двигателя проведен по паспортным данным [7]. В разработанной имитационной модели электропривода с векторным управлением (рис. 1) имеются четыре регулятора. Два регулятора активной и реактивной составляющих тока статора и регулятор магнитного потока оптимизированы по модульному оптимуму. Регулятор скорости оптимизирован по симметричному оптимуму. Сигналы тока, скорости и магнитного потока квантованы по уровню и времени, что приближает
характеристики модели к реальному приводу. В модели асинхронного двигателя учитывается реактивный момент сопротивления, который характерен для механизма шнека. Реализация режима источника тока в автономном инверторе с ШИМ управлением осуществляется введением дополнительных контуров управления с астатическими регуляторами тока, на вход которых подается разность задающего сигнала и сигнала с датчика тока двигателя [7].
Модель механической части электропривода -шнека-питателя имеет три составляющих момента сопротивления: момент сухого трения, представляющий собой момент пустого шнека; момент вязкого трения, зависящий от свойств сыпучести (вязкости) порошка оксидов и частоты вращения шнека; случайные изменения момента нагрузки:
Мс = мс0 + м^ + м
с сл '
где Мс - момент сопротивления шнека, приведённый к валу двигателя.
В имитационной модели для исследования зависимости момента, развиваемого электроприводом, от тока статорной обмотки приняли, что момент сухого трения мс0 составляет 38%, момент вязкого трения Мс| = к® = 0,1® составляет (0...62)%, случайные изменения момента нагрузки Мс сл с условной частотой 20 Гц составляют (0.70)% от номинального момента двигателя.
Результаты исследования процесса пуска на модели электропривода шнека за условное время 6 секунд на рабочее значение частоты вращения двигателя - 90 с-1, которая соответствует загрузке пламенного реактора 80% от требуемой производительности по дозированию, представлены на рис. 2. Показана пропорциональная зависимость электромагнитного момента двигателя от тока статора при постоянстве по-токосцепления ротора.
На рис. 3 представлены графики переходных процессов пуска электропривода шнека-питателя: линейного напряжения обмотки статора, потокосцепления ротора, угловой частоты вращения и электромагнитного момента, а также действующего значения тока статорной обмотки двигателя в функции времени при управляющем воздействии, соответствующем 80% максимальной скорости шнека, и при непрерывно нарастающей нагрузке. В начальный момент времени наблюдается рост потокосцепления ротора, при этом ток двигателя максимальный. Время нарастания пото-косцепления ротора до установившегося значения примерно 0,03 секунды. Скорость двигателя на этом промежутке времени равна нулю. За условное время 4 секунды момент нагрузки двигателя достиг предельной величины, при которой двигатель останавливается, развивая максимально допустимый момент при максимально допустимом токе статора с последующим отключением системой защит.
Рис.1. Схема модели векторного управления электроприводом шнека-питателя: 1 - таймер 1; 2 - функциональный блок 1; 3 - функциональный блок 2; 4 - блок векторного управления; 5 - блок случайной величины; 6 - дискретный интегратор; 7 - таймер; 8 - универсальный мост; 9 - выпрямительный мост; 10 - релейный элемент; 11 - напряжение питания; 12 - редактор программ; 13 - квантователь; 14 - квантователь 1; 15 - функциональный блок 3; 16 - ЮБТ-инвертор; 17 - асинхронный двигатель ЯМ001А4
500
-500 1
0.5
0 10С
50
0
20 10 0 -10 10
Линейное напряжение на обмотке статора, В
_1_
_1_
_1_
X: 6.251 У: 322.6"
Потокосцепление обмотки ротора, Вб
X: 6.208 У: 0.7998
—1 --— X: 6.221 У: 90.04 -
— ' ^
Электромагнитный момент двигателя, Нм
Действующее значение тока обмотки статора, А
ИНН»
X: 6.243 У: 10.96
X: 6.237 У: 4.044..
_1_
6 7
Время, с
Рис. 2. Пуск электропривода шнека со случайным изменением момента нагрузки _и условной частотой 20 Гц_
0
5
0
0
2
3
4
5
0
-50С 1
0.5
X: 3.995
Линейное напряжение на обмотке с у: 394 ;
Потокосцепление обмотки ротора Вб
1
X: 3.999
У: 0.8008 \
Частота вращения двигателя, 1/с
10С 50 0
X: 4.005. У: 90.06
_1_
Электромагнитный момент двигателя, Нм
X: 4.009-у: 19.34
Действующее значение тока обмотки статора, А
1 1 1
^ X: 3.999 У: 6.227 1 1 1
Время, с
Рис.3. Пуск под действием нагрузки, постоянно увеличивающейся по линейному закону
0
5
0
0
2
3
4
5
6
0
Линейное напряжение обмотки статора, В
-500 1
0.5
X: 2.635" У: 118.6
\ДАА*
11111
..................... X: 2.502
1 У: 0.8008
100 50 0 -50
15 10 5 0 -5
Частота вращения двигателя шнека, 1/с
-
1 X: 0.048 X: 0.9984 У: 4.159 X: 2.207 X: 2.99' У: 3.09Е
У: 2.552 У: 2.94
1-—............. 1 X: 1.497 У: 4.257- ...............-...........-и
Время, с
Рис. 4. Пуск и работа под нагрузкой при учёте вязкости дозируемого материала
0
500
0
-500 1
0.5
0 100
X: 1.335 У: 316.4-
Линейное напряжение обмотки статора, В
X: 5.639 "I- У: 320.3"
шп
Потокосцепление обмотки ротора Вб
11111
X: 5.005
У: 0.8008
Частота вращения двигателя, 1/с
X: 0.055 У: 5.775
,— X: 1.607 X: 0.9878 У: 22.15 У: 10.44...........
Электромагнитный момент двигателя, Нм
т-— —I-1 п:—-
X: 1.77 У: -8.565
X: 2.832 У: -4.301
X: 3.782 У: 9.974
-Г
х. п „, X: 0.9944
л.: 0 052 У: 3 785
У: 2.788 У: 3785
X: 1.593_Действующее значение тока обмотки статора, А
У: 7.351
X: 2.823 У: 2.609
X: 3.821 У: 3.785
_1_
X: 5.978 У: 10
X: 5.963 У: 3.785
5 6
Время, с
Рис. 5. Аварийное стопорение шнека
0
5
0
0
2
3
4
На рис. 4 представлены графики переходных процессов электропривода шнека под нагрузкой для длительного режима работы с коэффициентом вязкости дозируемого порошка % = 0,1 при частоте вращения
двигателя ю = 90 с-. Момент сопротивления на валу двигателя состоит из момента «сухого» трения, определяемого трением в торцевых уплотнениях шнека, который не зависит от частоты его вращения, и момента «вязкого» трения, который пропорционален частоте вращения шнека. В электроприводе шнека с полной номинальной загрузкой при неизменном моменте сухого трения и моменте «вязкого трения» имеется техническая возможность уменьшить нагрузку на валу шнека, снизив частоту вращения шнека, например, до 25 с-1, при этом статический электромагнитный момент и ток статора двигателя уменьшатся на 40%. Таким образом, если имеется перегрузка двигателя на заданной частоте вращения, то её можно снизить до номинальной величины, уменьшив соответственно частоту вращения шнека. При уменьшении производительности дозирования при наличии «вязкого трения» за счёт снижения оператором оборотов шнека на необходимую величину нагрузка на двигателе автоматически снижается до номинальной величины.
Реакция электропривода на попадание твёрдой фракции между шнеком и корпусом показана на рис. 5. Данная ситуация приводит к полной остановке двигателя. Для того чтобы не произошло полного заклинивания шнека и аварийной остановки технологического процесса, система управления предложит оператору
произвести реверс шнека и совершить перемещение на угол, соответствующий половине шага шнека. После этого производится обратный пуск шнека, и если твёрдая частица прошла между витками шнека, то двигатель набирает заданную скорость дозирования и выходит на штатный режим работы с номинальным моментом и током.
В заключение следует отметить, что частотно-регулируемый электропривод шнека-питателя позволяет осуществлять контроль нагрузки на валу шнека. Имея достаточную информацию в ходе технологического процесса, оператор может оптимальным образом вести технологический процесс, прогнозировать и предотвращать аварийную ситуацию. С целью облегчения принятия управленческих решений необходимо использовать в АСУ ТП специальные алгоритмы, подсказывающие оператору порядок действий для выхода из той или иной нештатной ситуации. Полученные результаты при моделировании в основном подтверждают обоснованность применения принципов управления частотно-регулируемым электроприводом шнека-питателя пламенного реактора, реализованного в технологическом процессе фторирования оксидов урана.
Для упрощения работы с имитационной моделью электропривода шнека питателя необходимо разработать комплексную модель механической системы, которая позволит формировать любую нагрузку сложной формы на валу исполнительного двигателя.
1. Жиганов А.Н., Гузеев В.В., Андреев Г.Г. Технология диоксида урана для керамического ядерного топлива. Томск: STT, 2002. 328 с.
2. Тураев Н.С., Жерин И.И. Химия и технология урана. М.: Руда и металлы, 2006. 396 с.
3. Скачек М.А. Обращение с отработавшим ядерным топливом и радиоактивными отходами АЭС: учеб. пособие для вузов. / М.А. Скачек. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. 448 с.
4. Копырин А.А., Карелин А.И., Карелин В.А. Технология производства и радиохимической переработки ядерного топлива: учеб. пособие для вузов. М.: ЗАО «Изд-во Атом-энергоиздат», 2006. 576 с.
ский список
5. Брендаков В.Н., Дементьев Ю.Н., Кладиев С.Н., Пищу-лин В.П. Технология и оборудование производства оксидов урана // Известия ТПУ. 2005. Т. 308, № 6. С. 95-98.
6. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. вузов. М.: Издательский центр «Академия», 2006. 272 с.
7. Терёхин В.Б. Моделирование систем электропривода в 81ти!1пк (Ма^аЬ 7.0.1): учебное пособие. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Томск: Изд-во Томского политехнического ун-та, 2010. 292 с.
УДК 63-83-52:519.768.2
ВРЕМЯВЕРОЯТНОСТНЫЙ МЕТОД ДЛЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА
© М.П. Дунаев1, К.Ю. Ушаков2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Обсуждены основные логические методы технического диагностирования для наладки электрооборудования. Описан новый логический времявероятностный метод диагностирования для наладки электрооборудования. Показана эффективность нового логического метода технической диагностики. Ил. 11. Табл. 9. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: метод; диагностика; алгоритм; экспертная система; наладка; электрооборудование.
TIME PROBABILITY METHOD FOR ELECTRIC LOCOMOTIVE EQUIPMENT DIAGNOSTICS M.P. Dunaev, K.Yu. Ushakov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The paper discusses the main logical methods of technical diagnostics for electrical equipment setting-up. It describes a new logical time probability diagnosing method for setting-up the electrical equipment and demonstrates its efficiency. 11 figures. 9 tables. 3 sources.
Key words: method; diagnostics; algorithm; expert system; setup; electrical equipment.
Введение. В процессе исследования методов диагностирования электрооборудования, рассматриваемых в [1, 2], а именно: половинного деления, вероятностного в различных модификациях, и метода с учетом характеристик доступности - стало понятно, что их средние затраты на определение одного состояния объекта диагностирования (ОД) слишком велики, вследствие чего вышеперечисленные методы становятся недостаточно эффективными. Вследствие этого актуальной становится задача разработки новых модифицированных методов диагностирования для повышения эффективности поиска неисправностей электрооборудования.
Времявероятностный метод. Рассмотрим новый модифицированный времявероятностный метод с учетом характеристик доступности на примере налад-
ки четырех объектов: асинхронного двигателя с корот-козамкнутым ротором (АД); постоянного двигателя с последовательным возбуждением (ДПТ); электропривода с управляемым выпрямителем (ЭП с УВ); электрической части электровоза переменного тока.
Функциональная схема АД представлена на рис.1, логическая схема - на рис.2, где КБ (1) - конденсаторная батарея; КМ (2) - силовой электромагнитный контактор; КК(3) - тепловое реле; СО (4) - статорная обмотка; МЧС (5) - механическая часть статора; РО (6) -роторная обмотка; МЧР (7) - механическая часть ротора; Н (8) - нагрузка; ис (Х1) - напряжение питающей сети переменного тока; Ф - магнитный поток; Wp -частота вращения ротора; Z1...Z8 - элементарные проверки функциональных блоков.
1Дунаев Михаил Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 405128, e-mail: [email protected]
Dunaev Mikhail, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Electric Drive and Electric Transport, tel.: (3952)405128, e-mail: [email protected]
Ушаков Константин Юрьевич, аспирант, тел.: (3952) 405128, e-mail: [email protected] Ushakov Konstantin, Postgraduate, tel.: (3952) 405128, e-mail: [email protected]
