Baumgaertel, G.

Bier, K.

Radek, S.

KITopen

Dezember 1972Institut für Heiße ChemieRegelung eines Verdampfers zur kontinuierlichenAufkonzentrierung von U·, Th· und Pu-LösungenK. Bier, S. Radek, G. BaumgärtelKFK 1716Als Manuskript vervielfältigtFür diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vorGESELLSCHAFT FüR KERNFORSCHUNG M. B. H.KARLSRUHEKERNFORSCHUNGS ZENTRUM KARLSRUHEKFK 1716Institut für Heiße ChemieRegelung eines Verdampfers zur kontinuierlichenAufkonzentrierung von U-, Th- und Pu-LösungenK. Bier, S. Radek, G. BaumgärtelGesellschaft für Kernforschung mhH, KarlsruheZusammenfassungFür einen uranverdampfer wird eine Kaskadenregelung beschrie-ben. Bei dieser Regelart ist ein schneller Regelvorgang(Heizdampfregelung) mit einem langsamen Regelvorgang (Konzen-trationsregelung) verknüpft. Die Konzentrationsmessung desablaufenden Verdampferkonzentrats wird kontinuierlich miteinem In-Line-y-Absorptiometer durchgeführt.AbstractControl of an evaporator for the continuous concentrationof U-, Th- and Pu-solutionFor an uranium-evaporator a cascade control system is reported.For this control a rapid regulation process (control of heating)is connected with a slow regulation process (control of concen-tration). The continuous measurement of the concentration ofthe evaporator concentrate will be realized by an in-line-y-absorptiometer.1. EinleitungDie Verdampfung gehört zu den am häufigsten ange-wandten Verfahrensschritten in der chemischen Technik.Ziel dabei ist es im allgemeinen, aus einer verdünn-ten eine konzentrierte Lösung herzustellen. Dabei solldas Konzentrat eine möglichst konstante Konzentrationaufweisen. Um dieses zu erreichen, wird häufig dieDichte des ablaufenden Konzentrates als Regelgröße be-nutzt, die meistens direkt auf die Heizleistung(Stellgröße) des Verdampfers einwirkt.Ein solch einfacher Regelkreis hat jedoch nur selteneine saubere Regelgüte zur Folge, da in den meistenFällen die Regelgröße gegenüber der Stellgröße einunterschiedliches Zeitverhalten aufweist.Daher wurde fUr einen kontinuierlichen Uranverdampfer,der bei der Wiederaufarbeitung bestrahlter Kernbrenn-stoffe z.B. der Aufkonzentrierung verdünnter Strip-lösungen dient, eine Kaskadenregelung gewählt, mitder sich eine sehr gute Regelgüte erzielen läßt.Hauptregelgröße ist hierbei die Urankonzentration desablaufenden Konzentrats, die kontinuierlich mitHilfe der y-Absorptiometrie gemessen wird.- 2 -2. Verfahrens technischer Teila) Der VerdampferDie Verdampferregelung wurde für eine Modell-anlage zur rechnergesteuerten Wiederaufarbeitungbestrahlter Kernbrennstoffe entwickelt. Der Ver-dampfer in dieser Anlage hat dabei die Aufgabe,die verdünnte Uranlösung aus der Rückextraktions-batterie kontinuierlich aufzukonzentrieren.Der Verdampfer (siehe Abb. 1) besteht aus demVerdampferraum, dem mit Raschigringen gefülltenBrüdenraum und dem mit dem Brüdenraum verbundenenKondensator. Die 0,125 Mol U/l enthaltene Lösungwird kontinuierlich in den Brüdenraum eingespeistund im darunter liegenden Verdampferraum mit Dampfbeheizt. Das Konzentrat mit der gewünschten End-konzentration von 0,5 Mol U/l läuft über ein mitdem Verdampferraum verbundenen Steigrohr stetigab. Die Urankonzentration wird am Auslauf desVerdampfers über einen by-pass laufend mit einemIn-line-y-Absorptiometer gemessen.b) Das ~line-y-AbsorptiometerDas Meßprinzip der Konzentrationsbestimmung beruhtauf der Schwächung von y-Strahlung beim Durchgangdurch eine Uran (Pu, Th) enthaltende Lösung.Die Intensität der y-Strahlung wird mit einemNaJ(Tl)-Szintillationszähler gemessen. Als y-Strahlenquelle dient ein Am 241-Präparat mit einer- 3 -Aktivität von 10 mC. Die Prozeßlösung strömtdurch eine Edelstahlküvette mit Fenstern ausPlexiglas. Sie befindet sich zwischenStrahlenquelle und Detektor. Zur Eichung wirdeine geometrisch gleiche Küvette mit der gewünsch-ten Sollkonzentration an Uran verwendet. Durchfluß-küvette und Eichküvette sind nebeneinander aufeinem verschiebbaren Schlitten angeordnet (vgl.Abb. 2). Durch einen Knopfdruck kann in beliebi-'gen Zeitabständen die Eichküvette in Meßpositiongebracht und somit ein neuer Sollwert für dieRegelung eingestellt werden (Sollwertführung) 1)3. Regeltechnischer Teila) Regelsystem des VerdampfersDer Gesamtregelkreis des Verdampfers besteht auszwei Regelstrecken (Hilfsregelkreis und Hauptre-gelkreis) mit unterschiedlichem Zeitverhalten.Damit teilt sich die Regelstrecke in zwei Vorgängeauf, die miteinander signalmäßig verknüpft sind,sich jedoch in ihrem zeitlichen Verhalten nurwenig beeinflussen.Im Hilfsregelkreis (Heizdampfdruckregelung) ver-läuft ein schneller Regelvorgang, der die Änderungder Störgröße im wesentlichen ausgeglichen hat unddessen Schwingung bereits abgeklungen ist, wennder Hauptregelkreis (Konzentrationsregelung)gerade seine ersten größeren Ausschläge macht.Der Zweck einer solchen Kaskadenregelung ist dieVerbesserung der Regelgüte (vgl. Abb.3).- 4 -Eine Verzögerung der Hauptregelstrecke, bedingtdurch die langsame Konzentrationsänderung, wirddadurch zum größten Teil ausgeglichen, indem in derHilfsregelstrecke über eine zweite Stellgröße XH,in den Hauptregelkreis eingegriffen wird. Einedirekte Regelung des Heizdampfdruckes mit der derKonzentration proportionalen Hauptregelgröße Xwürde wegen des unterschiedlichen Zeitverhaltenszwischen der Konzentrationsänderung und derEnergiezufuhr ein stetiges Schwingen des Regelsystemszur Folge haben.b) Optimierung des RegelsystemsDas Verhalten der beiden Regelstrecken wird durchdie Verzugszeit Tn, die Anstiegszeit Tg und denVerstärkungsfaktor Ks der Regelstrecke genügendgenau beschrieben.Die Totzeit der Regler kann vernachlässigt werden,da sie im Vergleich mit Tnund Tg sehr gering ist.Da die beiden Regelstrecken sich in ihrem zeitlichenVerhalten nur wenig beeinflussen, ist es möglich,die Optimierung von Hilfsregelkreis und Hauptregel-kreis getrennt durchzuführen.Optimales Verhalten eines Regelkreises liegt vor,wenn die Regelabweichung ein Minimum erreicht.Für dieses Verhalten sind folgende Parameter desReglers verantwortlich: der Proportionalitäts-bereich der Reglergleichung Xp' die Nachstellzeitdes Reglers Tn und zusätzlich bei einem PID-Regler, dessen Vorhaltezeit Tv'Die Berechnung- 5 -der optimalen Werte dieser Parameter stößt im all-gemeinen auf Schwierigkeiten, da sie eine detaillier-te Kenntnis der Kennwerte der Regelstrecke voraus-setzt, was normalerweise nicht der Fall ist.Daher haben die Einstellregeln von Ziegler undNichols (2) und die Einstellanweisungen vonChien et al. (3) besondere Bedeutung erlangt, dasie keine genaue Kenntnis der Kennwerte der Regel-strecke benötigen. Mit den nach diesen Einstell-kriterien ermittelten Werten von Xp' Tn und Tvläßt sich in den meisten Fällen ein weitgehendoptimales Verhalten des Regelkreises erzielen.a) Einstellregeln von Ziegler u. Nichols übereinen Schwingversuch:Zunächst wird der Regler als P-Regler betrieben,wozu man Tnso groß und Tvso klein wie möglicheinstellt. Nun wird Xp so lange verändert, bisdie Regelgröße gerade eine ungedämpfte Schwingungmit einer Periodendauer TK ausführt. Der einge-stellte Proportionalitätsbereich wird für diesenFall mit XpK bezeichnet. Die günstigste Ein-stellung für einen PI-Regler ist dann:u. =und für einen PID-Regler:- 6 -ß) Einstellregeln von Ziegler u. Nichols über dieUbergangsfunktion:Bei diesem Verfahren werden die günstigstenEinstellgrößen aus der experimentell aufge-nommenen Ubergangsfunktion der Strecke er-mittelt. Die Ubergangsfunktion liefert dieWerte T ,T und K •u g sDaraus ergeben sich die Werte für einen PI-Reglerwie folgt:und für einen PID-Regler:Vo = 1,2 . T /T Tn = 2 . '1'g u uu. Tv = 0,5 TuDabei gilt für beide Fälle;Xp [%] Ks 100= .V0y) Im Gegensatz zu Ziegler und Nichols unterscheidenChien et al. bei den Einstellregeln zwischen derEinstellung eines Reglers, der eine Störungmöglichst rasch ausgleichen soll, und der einesReglers, der einem FÜhrungsbefehl möglichstgenau folgen soll.Folgende Einstellregeln werden hierfür angegeben:- 7 -Führung StörungPI-Regler: Vo = 0,6 • T /T V T /Tg u = 0,70 g uT = T T = 2,3 Tun s nPID-Regler: V = 0,95 T /T V = 1,2 T /T0 g u 0 g uTn = 1,35 T Tn = 2 . Tg gTv = 0,47 • Tu Tv = 0,42 TuFür beide Fälle gilt:• 100Da größere Störungen im beschriebenen Fall nicht auftreten,(Konzentrationsschwankungen im Verdampferzulauf sind gering;der Heizdampf gelangt konstant mit 4,5 atü auf das Stell-glied), werden zur weiteren Berechnung der Reglerkennwertenach Chien et al. nur die Einstellregeln mit FÜhrungsver-halten herangezogen.4. Experimentelle ErgebnisseNach der oben beschriebenen Methode werden zunächst diefür die Anwendung der Einstellregeln benötigten Werteüber einen Schwingversuch und durch Aufnahme der Uber-gangsfunktion experimentell ermittelt. Dabei konnte fürden PID-Regler kein Schwingversuch durchgeführt werden,da dies wegen der nur sehr langsam erfolgenden Konzen-trationsveränderung praktisch nicht möglich ist.Folgende Werte werden erhalten:PI-Regler PrD-ReglerSchwingver-such:= 2,5 sekübergangs-funktion: '1' = 0,6 sek '1' = 1,5 minu u'1' = 2,3 sek '1' = 7 ming gK = 3 K = 9,1s sDie mit diesen Wertender Tabelle 1 aufgeführt.Nicholssind inund Chien etnach den Methoden von Ziegler u.al. berechneten ReglerkennwerteTabelle 1-9 -Methode PI-Regler PID-ReglerSchwingyer- Xp = 46%suchT = 2,1 secnübergangs- Xp = 87% Xp = 16~funktion(Ziegler u. Tn =2 sec Tn = 3 minNichols)Ty = 0,75 minübergangs- Xp = 130% Xp = 205%funktion(Chien et all Tn = 2,3 sec Tn = 9,5 minFUhrungTy = 0,7 min- 10 -Mit diesen rechnerisch ermittelten Regler-kenndaten wurde nun das gesamte Regelsystem des Ver-dampfers erprobt. Dabei stellte sich heraus, daß mitden aus der Ubergangsfunktion nach der Methode vonZiegler und Nichols erhaltenen Reglerkenndaten die besteReglergüte erzielt wird.Die Abb. 4 zeigt ein Schreiberdiagramm, aus dem dieeinwandfreie Funktion des Verdampferregelsystems her-vorgeht: Bei einem bestimmten Zeitpunkt wurde derZufluß zum Verdampfen für eine bestimmte Zeit unter-brochen, was einen sofortigen Anstieg der Urankonzen-tration im Verdampferraum zur Folge hat. Das Regel-system reagiert unmittelbar darauf durch eineDrosselung der Heizdampfzufuhr. Nach einer kurzenEinschwingzeit von etwa 10 min ist dann der Gleichgewichts-zustand wieder hergestellt, d.h. der Sollwert der Uran-konzentration im Verdampferablauf ist wieder erreicht.5. Zusammenfassung und weitere AnwendungsmöglichkeitenFür einen Uranverdamp~r wurde eine Kaskadenregelungentwickelt, bei der ein schneller Regelvorgang (HeiZ-dampfregelung) mit einem langsamen Regelvorgang(Konzentrationsregelung) miteinander verknüpft sind.Für die kontinuierliche Konzentrationsmessung wird einin-line-y-Absorptiometer eingesetzt. Das Regelsystemläßt sich auch für Thorium- und Plutoniumverdampferanwenden.Darüber hinaus ist das beschriebene Regelsystem auchauf andere chemisch-verfahrens technische Prozesse an-wendbar, wenn es darum geht, langsam sich veränderndeProzeßgrößen mit schnell veränderlichen Prozeßgrößenzu verknüpfen.- 11 -Literaturangaben1) G. Baumgärtel u. K. Bier:CZ-Chemie-Technik, 1(1972)9,435/4372) G. Pressler:Regelungstechnik Bd.1, Bibliographisches Institut,Mannheim,19673) Winfried Oppelt:Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge,Verlag Chemie, Weinheim, 1964GER Ä TEL IST EHauptregelkreis1 PID - Regler Typ PCS - Withof (mit Strukturumschaltung)2 U/J Meßumformer Typ PCS-T-Withof 10V/20mA3 y - Absorptiometriemeßplatz, Bauart GfKHilfsregelkreis4 PI-Regler Typ PCS - Withof mit Strukturumschaltung)5 R/J Meßumformer Typ PCS-T für Widerstandsferngeberb Widerstandsferngeber Typ 9404 215 30351 Withof2MB 0 .... bkp/cm7 J/P Wandler Typ20,2 ... 1 kp/cmEP 940453 100010 ... 20 mAB Stellgerät Typ 67 112 13 I.C. EckardtNW 15 ND 10 Kvs= 3,5Pneumatischer Stellantrieb Typ 6811143 I.C. EckardtordensatHN03IhSchema des VerdampfersAbb.1Führungs mit Regelung..- ReglerPIDFolgeSteuersignal Regler >-v.Rechner P ("-,Kjensat-~t/ Brüden-Abscha1t-/ I/{ raum Kühlwasserautomatik \ Ablauf~ ( Ivr: --(( )..Ce/1" I/{ }(eHeiz- Idam~=={)V1 I I J)2atm.- rh ----: -:Verdampferraum Je -- -- t ~ ~hl~~Abflull- Zulauf ~n-- -=) - --231/h-:[ r- - ~ -- Dampf 701-- Kondensat--t----_::- -1 -===Ir -- .::::;.0\)-----1-- -_-::---! '::::7 ZuflußScintilations 93l/hZähler .1-.-@=;mbY-",'~/Meßküvette241 RatemeterQuelle Äm-l0 mCr>z»g::rvII SzSz SzintillationszählerA AbschirmungB BleitopfQ. QuelleE EichküvetteM Messkü vette,Polynoid- Linear-MotorPSch SchlittenF Führungs stangeG Grundplatte,," A,, """,:,j', ~~'~;"";;"; ,'s i Py- ---~ - -~ M I~I Ei ~IV '/7 lr- ~ '''' -c, ::0 -; - _.~ i? t------- 7i:-~lli;~ -~- -------F--- -------:~ =-----/ I ~~)~. :;-- .LV////////////~~~'"~;:€~;/////////;f/////:////////1Abb. 3 Geräteschemaruft~f~ü- -1IIIIII1L7 I~ Überrahmen IN-ÜRG II+ 12 VIOV-12V.-. I... 1,2 I .. 2" ( p., Linearverstärker ~~ I-- ---------I Diskriminator ,--I+ 1500V I II IP-i I Jl I~~( ..A- I [> I~ 1 Rate- ~-~YI I.L I meter I( P1 1 1 l _____ JL _ ._____JSzintiUationszähler~ ~ 0-lOVes?' I I ,: : : : Iby-possI I I I ; MessküvetteI I t IXH XSchleife II I , I 0-20 mACJlEinheitssignally-Quelle I r I X241Am -10 mC Sch~iber PIDM Regler Führungs-r/'..; regler~ b: 0-20 mA0-20 mA I XH Schleife XH I I w~ PIRegler Folgeregle,~ Abschalt - _. TO-20mARechner_ automatik""Steuersignal u. fHandsteIler~ _Druckl~ <r 1,4 atüiderstandsferngeber 5? 0,2-1 kp/cm2~it Manometer lAnzg.l0-3 atü, '"... "T ..Dampfleitung .~[.. ... 4-WmAbb.4Dampfzufuhr~f\N\'ol-"'w.+'lU- Konzentration______ Zufluß zumVerdampfer unterbrochent....lem· ~2 min

Regelung eines Verdampfers zur kontinuierlichen Aufkonzentrierung von U-, Th- und Pu-Loesungen

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Regelung eines Verdampfers zur kontinuierlichen Aufkonzentrierung von U-, Th- und Pu-Loesungen

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