反应堆功率

反应堆功率（共4篇）

反应堆功率 篇1

1 引言

20世纪90年代前建成的核电厂的仪控系统均采用如CMOS单元电路构成的模拟系统,性能已大大落伍,设备老化过时、备品备件采购困难。而且,其控制设备在网络通讯、数据管理方面已经不能适应当前计算机网络时代的要求。在新一代核电厂普遍采用全数字化仪控系统(I&Cs)的形势下,将模拟I&Cs更换成数字化的I&Cs已经是大势所趋。数字化I&Cs的可靠性好、精度高,具有网络通信、故障诊断定位能力,且能将各种数据库、知识库和专家系统融入系统之中,大大强化了系统的控制能力、自动化水平、信息综合处理与显示能力,显著改善了人机界面。在设备运行的可靠性、安全性、经济性等性能方面,已经大大超过了模拟I&C系统。针对核电厂反应堆棒控棒位系统长时间连续运行、可靠性和安全性较高要求的特点,提出了一种全新的双CPU冗余、电源冗余和基于ControlNet现场总线网络冗余控制的实现方案,以满足系统控制要求。

2 ControlLogix系统的ControlNet网络结构

罗克韦尔ControlLogix系统不仅具有先进的通讯能力和最新的I/O技术,而且同时提供顺序、过程、运动和传动控制[1,2]。ControlNet是ControlLogix系统3层重要网络之一,它支持主从通信、多主通信、对等通信或这些通信的任意混合形式,对输入数据和对等通信数据实行多信道广播。通信形式可以组态选择,应用十分灵活。对等通信或多主通信的采用,可以提高网络的可靠性,改善网络的性能[3]。ControlLogix机架共有多个插槽,包括一个控制器模块CPU、以太网通信模块ENBT、ControlNet通信模块CNBR、CPU冗余模块SRM及输入输出I/O模块插槽等。它支持热插拔技术,并且可以选择混合网络通信以满足应用需要。CNBR为ControlNet网络接口的信息转换模块,CPU可通过该模块接入ControlNet网络。与ControlNet网络连接的所有模块一般有2个独立的ControlNet通道A和B, 可连接2个独立的链路,每条介质链路上支持99个节点,可实现介质冗余,也可实现CPU模块的冗余。在通信和控制时,冗余的两个链路及CPU模块都在同时起相同的作用,当A链路出现故障时,B链路仍起通信和控制作用,当一个CPU出现故障时,另一个冗余CPU则承担任务。因此这种CPU冗余方式解决了普通热备系统发生故障时存在切换时间过长的问题,保证了控制的实时性和可靠性[3]。

ControlLogix提供了两种CPU冗余解决方案:一种为硬件冗余,另一种为软件冗余。硬件冗余的方法,是将两个相同型号的CPU模块CPU1和CPU2安装在不同的两个ControlLogix机架上,每个机架上除了CPU模块,还要有通讯模块CNBR、热备冗余模块SRM。两个热备冗余模块之间通过光缆连接进行信息交叉加载,确保两个冗余CPU同步。ControlLogix硬件冗余系统配置如图1所示。

硬件冗余的优点就是软件不需要进行专门的编程,而且对连接在EtherNet/IP或ContolNet网络上的任一设备都是透明的,它们通过冗余模块SRM保持通讯。CPU的状态监视和控制权的转移是由两个热备模块来完成的。

软件冗余,是将两个CPU 模块CPU1和CPU2装在同一个ControlLogix机架上,利用背板进行通讯,实现冗余控制。软件冗余系统配置如图2所示。软件冗余中两个CPU模块的状态监视和控制权的转移是通过软件编程来解决的,从而使得软件冗余编程相对比较复杂,工作量较大。因此,本设计采用CPU、电源、通信网络等硬件冗余方案对反应堆控制棒的控制系统与棒位监测系统原有的CMOS电路进行数字化改造设计,以实现对反应堆功率的控制。

3 反应堆棒控/棒位控制系统原理

反应堆控制是整个核电厂I&C系统的关键控制环节。反应堆控制的主要任务是通过对控制棒上下移动位置的控制来实现对反应堆功率的调节。一个反应堆一般设置有多束位于堆芯活性区里的控制棒,通过控制棒吸收中子的数量来控制核燃料的反应性以达到调节功率的目的。为实现对反应堆功率的有效控制,设计的数字化反应堆控制系统控制器由两个主要部分组成:棒控逻辑数字控制器和功率自动调节装置。数字化反应堆功率控制系统原理框图如图3所示。

棒控逻辑数字控制器主要实现控制棒操作的安全联锁、功率自动调节回路的控制、状态监测与选择切换、手动/自动切换控制、控制棒操作与监测以及当有棒动指令时执行控制棒动作功能、棒位计算、棒位数字显示等功能。

功率自动调节装置将执行功率调节算法,自动维持反应堆功率在预定的水平,还将根据功率定值设定要求执行功率定值修改功能,根据来自核功率测量装置的实际功率信号与功率定值进行比较以后产生的偏差计算出核功率、启动量程周期值[4,5]。通过功率自动调节装置和棒控逻辑数字控制器综合处理以后给驱动电路提供一个相应的控制量,并综合方向控制信号来决定磁力传动机构的动作,决定控制棒的运动方向[6,7,8]。

每束控制棒均由一个磁力传动机构驱动。一个磁力传动机构又包括3个电磁线圈:提升线圈、保持线圈和传递线圈及其相应的机械传递装置。在正常运行时,3个电磁线圈按照预设的时序信号轮流工作,3个线圈通电一个周期即完成控制棒的“步”控制。每束棒经过若干步的操作可以完成从堆顶到堆底或者从堆底到堆顶的移动。紧急停堆时,保护系统输出停堆触发信号,切断全部控制棒的保持线圈电源,控制棒全部被释放,并要求在规定时间内靠自身重力下落并快速插入堆芯,实现安全性停堆操作。

4 反应堆棒控/棒位控制系统的数字化设计

数字化技术对提高仪控系统的数据处理能力、集中监控能力、控制系统的可靠性、安全性和可维护性以及人机交互能力和改善控制系统运行品质都具有十分重要的作用[9]。

4.1 数字化冗余控制系统的硬件配置

在秦山核电公司一期工程300MW反应堆棒控棒位的I&C系统改造中,采用ControlLogix数字化控制器、ControlNet网络技术、CPU热备冗余技术等进行数字化设计。数字化反应堆棒控/棒位热备冗余控制系统的硬件配置如图4所示。其中的控制器CPU1与CPU2互为冗余,通过冗余模块间的光缆连接进行通信,并分别由冗余电源供电。上位工控机通过EtherNet以太网或者ControlNet与各CPU通信。ControlNet网络也采用双重冗余通信方式。

4.2 数字化控制器

数字化控制器采用先进的ControlLogix数字化控制平台。在平台上的一对冗余CPU,先上电者为主CPU,后上电者为从CPU,在从CPU

加电以后自动完成同步过程。同步以后的两个控制器,主CPU中的部分或全部内容实时地以交叉加载方式自动传送到从CPU,这当中加载的内容包括在线编程、强置数值、属性和数值改变、程序执行结果等。但是,如果在用户将编入的程序下载到控制器之前发生切换,则该次编辑无效,这样防止了由于错误的在线编程可能造成主从控制器故障,保证了系统的安全性。当主控制器一旦发生故障时,从控制器同步切换并立即接替其控制任务。

4.3 通信网络

通信网络采用ControlNet网络技术。ControlNet是一种新的面向控制层的实时性现场总线网络,在同一物理介质链路上提供时间关键性I/O数据和报文数据,是具有高度确定性、可重复性的高速控制和数据采集网络,非常适用于反应堆棒控棒位这一复杂关联、要求控制信息同步、协调实时控制、数据传输速度要求较高的控制。它既可以提供高速的控制和I/O数据网络以及方便准确的数据传输,便于组态、维护和故障诊断,也可根据用户的要求支持介质冗余。作为一种实时、高速的工业控制网络,ControlNet的技术特点使它在要求高确定性、重复性以及大数据量传输等控制领域都获得了很好的应用。由于控制棒的位置测量与控制以及反应堆保护系统等大量的信息都是通过ControlNet网络与系统联系在一起的,节省了大量的控制元器件和硬接线。在棒控和棒位远程I/O工作站上还加设了现场CPU控制以提高数据处理与信息交换实时性及整个系统的运行速度。

4.4 冗余设计

设计中主要采用的硬件冗余技术包括双回路电源、双CPU和网络等物理介质冗余。冗余电源设计方案采取双回路供电,当其中一路电源故障时,另一路电源通过冗余电源自动投入,这样就有效地避免了因为某路电源故障造成系统无法正常工作的问题。同样,除了电源冗余,控制器的CPU及通信网络也都采用冗余设计,通过相应功能模块实现故障切换,确保系统安全可靠运行。

4.5 人机界面安全设计

采用触摸屏作为人机交互界面和调试平台为系统提供与运行有关的信息及系统初始化参数的预置。对参数的修改设定不同级别的权限,同时,在作参数修改时,需要操作人员在有效的参数设置范围进行重复确认才能生效,否则,输入信息无效并提示重新输入操作,降低了误操作的可能性,提高了系统安全可靠性。

此外,在触摸屏上模拟各种开关、信号指示灯的运行状态,并实时显示各控制棒的位置。反应堆的功率以及各种信息也可视,并能保存一定时间以备查询。

4.6 系统软件设计

在实现反应堆功率控制各种功能要求的前提下,根据反应堆棒控系统控制棒的运行规律要求,按照手动或自动按组重叠、子组重叠、单束棒控制的提升与下降的重叠程序,采用功能化的程序模块设计方式对整个系统进行编程,增强了程序的可读性和实用性,显著减少了运行程序的重复扫描时间,提高了系统的动态响应速度。

5 结论

对反应堆I&C系统采用数字化设计以后,克服了以往模拟I&C系统固有的许多不足,比如原系统可维修性差导致的高维修风险的弱点;简化了系统、缩短了研制周期、改善了控制精度和品质;显著增强了系统的数据处理能力、集中监控能力及系统的可维护性;大大提高了系统可靠性和安全性[10]。经过将近1a时间的实际运行效果证明达到了预期要求。

摘要：介绍了在ControlNet现场总线网络环境下,采用数字化控制器、网络技术、热备冗余等技术对反应堆控制棒的控制与棒位监测系统(简称棒控棒位系统)原有的CMOS电路进行数字化设计,实现反应堆功率控制,提高了系统的可靠性及数据处理能力、集中监控能力。此外,模块化的硬件与软件设计,既使得故障定位更加方便,又增强了程序的可读性和实用性,减少了程序扫描时间,保证了系统响应速度。

关键词：ControlNet现场总线,反应堆功率控制,冗余设计,可靠性

参考文献

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[4]王金华,刘立新,李谢晋,等.核电站数字化反应堆保护系统研究[J].核动力工程,2002,23(S1):74-78.

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[6]杨岐.核电厂数字化I&C系统关键技术研究现状及发展策略[J].核动力工程,2002,23(S1):66-69.

[7]冯俊婷,张良驹,李铎.数字化反应堆功率控制系统[J].原子能科学技术,2004,38(6):492-496.

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核反应堆功率控制协调策略探讨 篇2

关键词：核反应堆,功率,控制协调策略

核电厂的功率控制系统一般包含核反应堆功率控制系统、核反应堆冷却剂温度控制系统及化学与容积控制系统。而核电厂功率控制系统对于改善核反应堆的升降、停堆和启动功率及保持核反应堆运行的稳定性等具有重要影响。尤其是做好功率控制协调, 可确保核反应堆保持经济、安全的运行状态。对功率分布及功率控制协调须实现剩余反应性的消除, 以弥补运行中因中毒、温度变化等造成的反应性变化。因此, 加强有关核反应堆功率控制协调策略的探讨, 对于提高核反应功率控制质量具有重要的现实意义。

1 核反应堆功率控制理论基础

1.1 状态反馈

线性状态反馈控制率的公式为:

u=Lv-Kx

其中:K表示p*n阶状态反馈增益矩阵, 其属于实常数矩阵 ;v表示p维控制输入量;L表示p*p维非奇异常数据阵, 其属于常数变换矩阵。将此公式代入原系统获得的闭环系统状态空间表达式可为:

x= (A-BK) x+BLv

y=Cx

由此分析状态反馈的基本性质为: (1) 输出反馈可作为状态反馈的特例, 如当K与HC相等时, 则Kx也等于Hy, 这时状态反馈与输出反馈相互等价; (2) 若输入变换矩阵的L与I相等时, 也就是未对输入进行变换时, 则可将其称为基本的状态变量反馈; (3) 依据闭环系统的传递函数阵可求解出状态反馈对闭环传递函数阵的作用。[1]

1.2 极点配置

作为控制系统的一类有效指标设计, 线性系统的极点配置主要以某定常系统为目标, 构造某类线性定常控制率, 以促使闭环系统形成期望的一组极点。此种指标的基础通常包含两方面:一是系统的极点控制系统响应速率;二是系统的极点控制系统渐进稳定性。在进行极点配置时若采用状态反馈方式, 应先考虑是否能利用状态反馈开展任意节点配置, 也就是在何种状态下才能利用状态反馈将系统闭环极点设置在各种期望的位点上;然后需要考虑此种状态反馈的实现方式。

一般系统的状态空间表达式为:

采用状态反馈u=-Kx+v将此类系统的闭环极点设置在各种指定位置的基本前提是此类系统具有完全的可控性。

1.3 线性矩阵不等式

在多数系统控制问题中, 问题变量多采用矩阵形式表示。常见的标准线性不等式问题主要有三种。假设F、Ф与P是关于变量x的对称矩阵值放射函数, c表示设定的常数向量。

(1) 特征值问题 :此问题是以线性矩阵不等式为限制条件 , 求矩阵P (x) 的最大特征值的最小化问题或检测问题的限制条件能否可行。其一般形式可表示为:

(2) 广义特征值问题 :此问题是以线性矩阵不等式为限制标间 , 求两个仿射矩阵函数的最大广义特征值的最小化问题。其一般形式可表示为:

(3) 可行性问题 :在设定的线性矩阵不等式F (x) <0的条件下 , 确定是否有x使F (x) <0的限制条件成立, 此种问题便称为线性矩阵不等式的可行性问题。若含有此种x, 那么此矩阵不等式是可行的, 相反则表示此矩阵不等式不可行。[2]

2 核反应堆功率控制协调策略

2.1 反应堆功率控制调节方法

2.1.1 PID 控制器

PID控制是指依照偏差的微分D、积分I和比例P实施控制。此种控制方法具有较高的可靠性和鲁棒性, 且算法简便, 在不同工业领域的生产控制中均获得了较好的控制效果。依据实践结果, 可选用冷却剂平均温度PID控制器和功率PID控制器开展功率调节。PID控制器选用数字PID控制中的增量算式。在降功率与升功率条件下, 选用经验调节方式, 先对比例系数进行调整, 然后依次分别是积分分数和微分分数, 由此获得降功率与升功率两部分PID的参数。因PID控制器并非以系统模型为基础, 所以按照以上参数设置的PID控制器在不同工作条件下都具有较好的控制效果, 而当反应堆工作状况与调节工况偏差过大时, 控制效果便会明显减弱。

依据实际仿真效果数据发现, 升功率时功率在保持稳定后不出现震荡, 冷却剂温度的漂移量一般控制在0.2℃以下, 而降功率的控制效果低于升功率, 降功率时功率在达到设定值后会先产生震荡然后趋于稳定, 冷却剂温度的漂移量则升高至1.1℃。造成此种状况是因为PID控制参数主要是依据升功率工况进行调节, 所以升功率控制效果要好于降功率。

2.1.2 专家 PID 控制器

专拣控制是指模拟人工智能将人为对事件的主观信念纳入到控制系统中, 按照高水平操作员的经验或经验规则完成系统管控。而专家PID控制便是将PID控制与专家控制规则相结合, 其不仅具备传统PID控制的稳定性优势 , 且具备专家控制的智能性。在控制时主要依据专家调整变量的经验或专家知识对PID控制器内的微分、积分和比例实施有效整定, 以大幅度提升PID控制的动态性。而恰当设定和应用此类经验规则是专家PID控制器设计的关键环节, 应用中可依据核反应堆功率系统的实际运行规律按照控制需求对系统变化速率和超调量实施控制, 直至实现反应堆的功率调控。此种方案不但能充分利用PID控制器的稳定、简捷和易于现场操作的特点, 还能将专家控制规则不受被控对象数学模型影响的特点有效集成, 由此可极大提升系统控制质量。

2.2 功率控制与功率分布的协调

2.2.1 设定运行的目标区域

在设定反应堆工作的目标区域时, 可选用常轴向偏移法, 目标值AOref会与堆芯寿命期限协同变化。如在对堆芯寿命周期末进行仿真时, 可选取目标值AOref为5%, 将其纳入到算法中求得工作中轴向功率偏差的目标值ΔIref, 随后画图便能得出实际的功率运行目标区域。

2.2.2 功率分布调节

可使用双堆数学模型对反应堆堆芯活性区进行划分, 得到的上下部分各选用六组缓发中子的点堆子动力学方程控制, 通过功率分布系统便能实时检测上下两个点堆的功率状况, 然后利用算法求得轴向偏移;再与实际功率水平相结合共同代入到运行带中检测能否满足运行标准。若满足则继续开展功率调控, 若不满足, 则先压低功率变化幅度 , 再对功率分布是否符合梯形图要求进行检测, 由此循环监控, 以确保工作过程中功率分布符合安全运行标准。

2.2.3 轴 向偏移控制

选用上述功率分布调节方式, 依据仿真结果发现当功率由20%上升至100%时加入协调控制反应堆的轴向偏差更低, 其运行的稳定性与安全性更有保障。[3]

3 结束语

功率控制协调策略的应用质量将直接关系着核反应堆的整体运行质量和效益, 因此, 相关技术与研究人员应加强有关核反应堆功率控制协调策略的研究, 总结核反应堆功率控制措施及关键技术处理方法, 以逐步提升核反应堆功率运行水平。

参考文献

[1]赵伟宁.核反应堆功率的模糊最优控制系统研究[D].哈尔滨工程大学2013, 13 (14) :74-75.

[2]刘妍.一体化反应堆协调控制技术研究[D].哈尔滨工程大学, 2013, 6 (10) :61-62.

反应堆功率 篇3

计算机仿真技术应用于核反应堆, 最初是从反应堆复杂的科学计算研究开始的。因为计算机具有运算速度快、精度高、存储容量大等特点以及逻辑运算和判断的能力, 随着数字化仪控系统的发展, 计算机仿真已越来越广泛地应用于核电厂控制系统研究中。

SIMULINK是MATLAB中用来建模、仿真和分析动态多维系统的交互工具, 完全支持图形用户界面, 用户只需进行简单的拖拽操作就可以构造出复杂的仿真模型。因此, 利用SIMULINK程序进行核反应堆控制系统仿真研究是十分快捷和高效的手段。

本文在核反应堆点堆动力学模型基础上, 结合计算机控制原理, 建立反应堆功率调节系统数学模型。通过MATLAB的SIMULINK工具搭建系统的仿真模型, 并进行反应性扰动试验, 以验证系统的能够实现反应堆功率自动调节的正确性。本文的研究对反应堆控制系统设计的工程实现具有较强的指导作用。

1控制系统原理及组成

反应堆功率调节系统计算机控制主要由计算机、被控对象、测量变送和执行机构等组成, 其原理框图如图1所示。

电位器将采集到的棒位转化为反应性变化后引入到模拟反应堆的计算机中并引起反应堆功率的变化, 反应堆中子通量通过电离室后转化为电信号, 这一信号与定值器比较后将产生的偏差信号转化为变频器的频率值以驱动交流电机, 电机通过减速器后控制棒位的升降, 棒位的变化被电位器所采集并引入反应堆后又将导致功率的变化, 形成闭环。

2系统建模

2.1反应堆性能指标

控制对象以一个重水反应堆为模型, 主要物理参数如下:

反应堆传递系数K1=9.55×1010;

反应堆时间常数Ta=0.149s;

缓发中子所占份额β=0.0064;

裂变产物平均衰变常数λ=1/τ=0.077 (即τ=13) ;

中子寿命l=0.001 s;

额定功率时中子通量N0=0.8×1010中子/ (cm2×s) ;

控制棒微分当量ΔKcm=1.28×10-61/cm。

2.2反应堆Z传递函数

采用“等效单组”缓发中子假设, 其点堆动力学方程的描述为:

推导得到反应堆传递函数为:

当反应堆处于临界状态时, 反应性ρ0=0,

从而反应堆的传递函数为:

采用零阶保持器, 将上述传递函数, 离散离散化为Z传递函数, 取采样时间为T=0.01 s

2.3系统仿真模型建立

功率调节系统各环节控制参数选取如下:

电离室的灵敏度K=1×10-13A/中子/ (cm2×s) ;

定值器的设定值为0;

变频器系数为1.25×109;

减速器比例系数为0.05。

利用SIMULINK建立系统仿真模型如图2。

图中的阶跃信号用来输入扰动, 从两个示波器的波形图就可以分别看到反应堆内中子通量的变化和控制棒的调节情况。另外, 由变频器控制的交流电机输出的是速度反馈, 而减速器所要采集的却是位移的变化, 所以需要在这两个环节之间再加上一个积分环节。

3系统仿真及模型验证

运行系统仿真模型, 观察波形变化图检验该模型的仿真性能和它的稳定性及合理性等。引入一个-0.1的棒位阶跃扰动信号后, 得到反应堆内中子通量的变化波形图 (见图3) 和控制棒的棒位变化波形图 (见图4) 。

从图中可以看出, 棒位阶跃扰动引起反应堆中子通量迅速增加, 由于功率调节系统作用, 中子通量变化逐渐收敛稳定。控制系统控制性能满足反应堆性能指标要求。实验验证了系统的能够实现反应堆功率自动调节的正确性。

4结语

本文对核电厂反应堆功率调节系统的计算机控制进行建模和仿真实验。采用定性分析和定量分析相结合的方法, 建立了控制系统模型, 通过SIMULINK工具建模和仿真, 对模型的仿真性能和稳定性及合理性进行验证。从实验所采集的数据和实验现象可以得出:建立的反应堆功率调节系统模型是可用适用的, 实现了期望反应堆功率自动调节的要求和结果。本文的研究具有一定技术通用性和工程应用价值, 为以后进一步开展反应堆控制系统设计奠定了技术基础。

摘要：在建立核反应堆点堆动力学模型基础上, 通过SIMULINK工具搭建反应堆功率调节系统模型, 进行反应性扰动试验, 对模型的仿真性能进行验证。仿真模型实现了期望的反应堆功率自动调节的要求和结果。本文工作为进一步开展反应堆控制系统设计奠定了技术基础。

关键词：核反应堆功率调节,SIMULINK,建模和仿真,计算机控制

参考文献

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[4]王沫然.MATLAB与科学计算[M].北京:电子工业出版社, 2003:225-227.

反应堆功率 篇4

反应器搅拌是化工装置的A类设备之一, 通过搅动反应器内部物料使两种或两种以上物料充分混合、反应。某化工厂反应器搅拌属于框式搅拌器, 反应器内部物料反应属于放热反应, 反应热通过内置冷却盘管带走, 反应后内部为固-液-气混合体, 固液体通过各个反应器单向溢流, 气体通过抽真空被带走而进入吸收塔被吸收、浓缩。如果搅拌器高功率、高振动运转, 反复跳车会导致反应器内部反应效率低下, 生产不能持续进行, 而且搅拌器所附带减速机为进口减速机, 备件购买周期长, 维护成本高。

由于装置的扩产改造, 反应物料量增加, 搅拌功率提高, 通过本生产装置的近期检修, 反应器以及搅拌器出现了反应器内部盘管脱落、盘管底部支撑板断裂、搅拌器的搅拌框变形以及驱动轴联轴器焊点撕裂的情况。

2 原因分析及对策制定

本文主要通过工艺以及设备两个主要方面, 结合本装置的实际情况, 对检修过程中出现的问题进行分析研究, 找到主要原因并制定相应的对策

2.1 工艺方面

2.1.1 反应器搅拌功率

由于装置产能扩大, 进入反应器内部物料增加, A酸、B醇物料反应接触面增加, 剧烈放热反应, 反应器搅拌功率[1]消耗会随负荷增加而提高。

由于搅拌框在反应器内部推动物料做顺时针运动, B醇物料通过套管中下部15个3 mm小孔和套管底部2 mm小孔喷出, 溢流过来的A酸液在搅拌框推动下立即和B醇结合发生反应, 反应热在容器壁边缘通过液体扩散到盘管带走。由于A酸和B醇剧烈反应放热、反应热如不能及时带走, 会导致反应效率[2]低下, B醇消耗量增加。

2.1.2 应对措施

B醇进料套管改造, 进料套管位置改变, 把B醇进料套管由原来靠近反应器边缘位置转移到反应内侧面双排盘管中间位置, 用等离子[4]重新在反应器封头上方开孔, 重新焊接套管和法兰, 把进料套管的固定位置转移到侧面双层换热盘管中间后, 进料套管垂直穿插在盘管中间, 高度通过盘管下部, 上下用10 mm厚组合支撑固定。B醇进料管由原来15个3 mm孔改进为12个3 mm孔, 底部2 mm孔不动。具体改造如图1所示。

通过改进B醇物料进料套管和其位置, B醇消耗明显降低, 搅拌框推进A酸向周围盘管扩散, 通过盘管与容器壁旋转, 与B醇快速结合, 产生剧烈放热反应。反应热量很快通过两侧冷却盘管带走, 反应效率明显增加, 固-液-气混合物滞留容器内时间减少, 加快物料循环, 保证了反应器高效运行。

2.2 设备方面

根据框式搅拌器[3]的工作原理, 结合多次具有针对性的维修, 影响搅拌器高功率、高振动的设备因素及解决对策主要有以下几个方面:

2.2.1 盘管脱落

反应器内部换热盘管位于容器侧壁和底部, 底部盘管由扁钢上下夹持螺栓固定, 侧壁双层盘管, 通过支撑角钢固定, 盘管螺旋上升, 每层盘管通过外贴焊接扁钢调整固定间距。

由于扁钢外贴盘管直接焊接在盘管上, 每层盘管间距通过与外部扁钢直接焊接固定, 在正常生产过程中冷却盘管内外温差大, 盘管又经常受到反应器内部液体径向和轴向冲击, 所以在液体和内外温差等各种因素的作用, 导致盘管上下和左右运动, 使盘管支撑和固定扁钢焊缝撕裂, 导致搅拌器高功率、高振动运行, 使生产无法持续进行。经过多次维修思考, 结合反应器内部工况, 决定改进盘管支撑扁钢。

由原来的扁钢间隔焊接更换为带隔断弧度的扁钢在每侧盘管内外通过螺栓夹持固定 (螺栓和螺帽焊接在一起) 。

通过具有针对性的改进后, 运行过程中盘管高振动已经消失, 有效降低了设备开停检修的次数, 降低了对反应器维修成本。

2.2.2 支撑板断裂

搅拌框在运行过程中, 液体被推动向四周扩散, 蛇形盘管受到液体冲击力, 上下运动, 向四周收缩和膨胀的力量, 盘管底部支撑会经常断裂, 断裂后盘管底部没有制约的力量, 导致盘管运动加剧, 搅拌器运行中随之会出现电机功率高的现象。经过反复研究和推断, 对盘管支撑进行了改进, 盘管支撑连接螺栓板开孔13 mm, 由圆孔开成条形孔, 孔长度60 mm, 而且靠容器壁焊接的钢板左右增加强耳, 有助于提高抗击沿容器壁切线方向的力量。经过改进和提高后, 盘管支撑很少有断裂现象, 运行周期更长, 反应更稳定。改进支撑如图2所示。

2.2.3 搅拌框变形

反应器搅拌在运行过程中出现了高功率、高振动, 设备突然跳车, 经过搅拌器拆检发现搅拌框出现了严重变形。经过对现场问题的分析, 得出搅拌框要进行优化和加固改进。在不影响反应效率的情况下减少搅拌框的立边宽度 (单边减少20 mm) 和搅拌框整体宽度, 每一立边往内部移动了10 mm (整体宽度由原来1320 mm减少到了1300 mm) 。如图3所示。

经过以上优化改造后, 减少搅拌框了对液体的接触面积, 液体阻力减少, 降低了搅拌器功率。为了保证搅拌框在今后使用过程中绝对强度, 我们在搅拌框的横框推进面背部位置增加了立筋, 加强筋厚度不小于搅拌框厚度, 通过增加立筋, 来对搅拌框进行加固改进。如图4所示。

搅拌框强度的增加、搅拌框与液体接触面积的减少及搅拌框直径的减少使搅拌器功率得到了大幅度降低, 既保证了反应效率又降低了功耗。 (由原来的38 k W降低到32 k W) 。

2.2.4 驱动轴联轴器焊点撕裂

搅拌框在反应器内部旋转过程中, 推动液体做功, 液体也给予搅拌器反作用力, 经过联轴器传动给了驱动轴, 在正常生产中搅拌器出现了高功率、高振动, 设备突然跳车, 经过搅拌器拆检发现, 驱动轴联轴器焊缝出现了撕裂现象。经过对驱动轴联轴器[5]结构进行分析得出, 驱动轴联轴器大小和搅拌轴的焊接强度不够导致焊接点疲劳, 所以需要重新对联轴器结构进行改进, 以增强其强度, 如图5所示:联轴器法兰改进为带毂的联轴器法兰, 联轴器法兰外径不小于350 mm, 单法兰厚度不小于40 mm, 毂外径不小于200 mm, 联轴器整体高度不小于200 mm, 要求轴与联轴器配合面要采用磨削加工、紧密配合, 坡口焊接。

通过对驱动轴和搅拌框联轴器进行综合改进后, 搅拌器输出扭矩和液体反作用力都在联轴器能承受力的范围内, 从而保证了搅拌器安全稳定、长周期运行。

3 结论

经过实施以上改进后, 搅拌器功率稳定, 无高振动, 盘管无异音, 反应效率高, 为今后设备高负荷运转打下了良好的基础。

摘要：通过工艺和设备两个方面对反应器搅拌高功率、高振动原因进行综合性的分析, 提出了具有针对性的技术措施, 有效解决了反应器搅拌器由于高功率、高振动所带来的设备易跳车问题, 确保了设备安全、稳定、长周期、高效运行。

关键词：搅拌器,高功率,高振动,长周期、高效运行

参考文献

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