Бугаєнко О. С.

Національний технічний університет України «Київський Політехнічний Інститут»

Система управління хімічним реактором по переробці радіоактивного натрію рідкофазним способом

Нині широко використовується радіоактивний натрій – в промисловості, в сільськогосподарчій діяльності. Виникає потреба переробки радіоактивного натрію. На сьогодні існує твердофазний, газофазний та рідкофазний способи переробки натрію.

Найбільш поширеним є рідкофазний спосіб, під час якого радіоактивний натрій перетворюється на концентрований розчин лугу – гідроксид натрію. Саме цей спосіб був розроблений для переробки теплоносія реактора EBR-II. Цей спосіб дає змогу отримати кінцевий продукт переробки з мінімальним збільшенням об’єму у порівнянні з вихідним об’ємом натрієвого теплоносія, а також максимально компенсувати теплоту реакції за рахунок тепла випарювання вологи з поверхні киплячого розчину.

Принцип роботи установки з переробки натрію полягає у здійсненні реакції натрію з водою в концентрованому розчині гідроксиду в хімічному реакторі. Для отримання розчину заданої концентрації системі управління необхідно здійснювати подачу натрію і води в строго визначених кількостях. Тобто, для підтримки безперервного процесу переробки, системі управління необхідно забезпечити регулювання концентрації та маси лужного розчину в ємності реактора. Конструктивні особливості технологічного обладнання установки з переробки натрію накладають певні обмеження на контур управління концентрацією. Зокрема, основною вимогою до системи управління є забезпечення безперервного, стабілізованого потоку натрію, у зв'язку з чим, регулювати концентрацію розчину лугу в хімічному реакторі можна тільки за рахунок вхідного потоку води. Маса лужного розчину в ємності реактора регулюється за рахунок відведення надлишків лугу на ділянку розбавлення, при цьому необхідно підтримувати робочий рівень заповнення ємності.

Таким чином, функціональна схема об'єкта автоматизації буде містити три матеріально-енергетичних потоку, а саме: потік води, потік натрію і потік розчину, що відводиться з реактора (Рис. 1).

Рис. 1 Функціональна схема об’єкта автоматизації

Отже, хімічний реактор є складним багатозв'язним об'єктом з трьома вхідними і двома вихідними змінними, при цьому зміна потоків натрію і води призводить до зміни концентрації розчину, а зміна потоку розчину впливає на його масу. Існує залежність маси розчину від вхідних потоків води і натрію, але регулюючої змінної для маси є потік розчину.

Таким чином технологічний об’єкт управління можна описати двома передаточними функціями:

- передаточна функція по каналу «потік води – концентрація розчину»;

- передаточна функція по каналу «потік розчину – маса розчину».

Передаточна функція по каналу «потік води – концентрація розчину» має наступний вигляд

_{де GH2O – потік води, GSteam – пароутворення, Wg – передаточна функція по керуванню (при відсутності збурень); Wf – передаточна функція обєкта по каналу збурення (при відсутності задаючого впливу).}

Передаточна функція по каналу «потік розчину – маса розчину» :

де G_Sol – потік розчину.

Знаходження передаточної функції об’єкта управлінння по каналу «потік розчину - маса розчину» виконується за умови знаходження хімічного реактора в стаціонарному стані. Оскільки в стаціонарному режимі всі потоки, крім потоку розчину, постійні і в сумі дають константу С, то в цьому випадку збурення відоме, постійне і дорівнює С.

Враховуючи, що об'єкт описується двома передаточними функціями (по управлінню та збуренню), структурну схему системи автоматичного регулювання можна представити, як показано на Рис. 2:

Рис. 2 Структурна схема системи автоматичного регулювання концентрації лугу

Вважаємо, що система повинна відповідати таким вимогам:

• запас стійкості по фазі j_m = 45°;

• час встановлення 5 хвилин.

Зважаючи на необхідність компенсації САР збурюючого впливу, закон управління повинен дозволяти компенсувати статичну помилку, отже, регулятор повинен бути астатичним. За допомогою критерію Рауса-Гурвіца проведено аналіз стійкості системи при використанні в регуляторі ПІ, ПД і ПІД законів управління.

Таблиця Рауса отримана з характеристичного полінома система автоматичного регулювання з ПІ-регулятором, містить зміну знаку в першому стовпці, отже, система управління з таким регулятором буде нестійка.

Якщо використовувати ПД-регулятор система автоматичного регулювання може бути стійкою, тому що ні один коефіцієнт характеристичного полінома не дорівнює нулю, але не буде володіти астатизмом щодо збурюючого впливу.

Регулювання за допомогою ПІД-регулятора задовольняє критерії керування. Передаточна функція системи автоматичного регулювання з ПІД-регулятором:

Коефіцієнти регулювання: задамо K_І=0.05 отримаємо К_П =8.601, К_Д=3.227*10-3

Література:

1. Tazhibayeva I., Herrick A. Sodium Coolant Handling Project of BN-350 Fast Breeder Reactor. – Almaty: Glory Ltd., 2010. – 304 p.

2. Garcia H.E. Modeling and Control of a Sodium Conversion Process Applied to Nuclear Decommissioning Activities // Nuclear Technology. – 1998. – V. 123. – № 8. – P. 54–60.

3. Daubert T.E. Chemistry WebBook // NIST Standard Reference Database Number 69. 2004. URL: http://webbook.nist.gov/chemistry.

4. Ч. Филлипс, Р. Харбор. Системы управления с обратной связью. – М., Лаборатория базовых знаний, 2001.