EP0223017B1

EP0223017B1 - Verfahren zur Dosierung von Flüssigmetall und zugehörige Pumpe

Info

Publication number: EP0223017B1
Application number: EP86113282A
Authority: EP
Inventors: Bruno Berg; Theodor Dipl.-Ing. Lauhoff; Klaus Dipl.-Ing. Thissen; Joachim Barzantny
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1985-10-07
Filing date: 1986-09-26
Publication date: 1990-07-18
Anticipated expiration: 2006-09-26
Also published as: ATE54592T1; EP0223017A1; DE3672757D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dosierung von Flüssigmetall unter Verwendung einer elektromagnetischen Pumpe. Aus der EP-A 0 095 620 ist bereits ein Verfahren zur Regelung der Förderleistung einer induktiven Flüssigmetallförderpumpe bekannt, bei welcher mehrere verschiedene Parameter zur Regelung der Pumpe benutzt werden. Aus dieser Schrift ist auch bekannt, daß während der Förderpausen der Flüssigmetallspiegel immer an einer definierten Stelle im Förderrohr gehalten werden muß, um eine präzise Dosierung zu ermöglichen.
Die bisherigen Verfahren zur Dosierung von Flüssigmetall gingen in ihrem Regelungs- bzw. Steuerkonzept davon aus, daß für eine präzise Dosierung mehrere Parameter, so beispielsweise die Höhe der Schmelze im Vorratsbehälter und deren Temperatur, bekannt sein mußten, damit die Leistung der Pumpe in den Förderzeiten entsprechend eingestellt werden konnte.
In der DE-B 1 286 701 wird die Dosierung von Flüssigmetall unter Verwendung einer elektromagnetischen Förderrinne beschrieben, wobei die ein magnetisches Wanderfeld erzeugende Spulenanordnung aus zwei Teilen besteht, wovon ein erster Teil ständig in Betrieb ist und ein zweiter Teil zur Förderung des Flüssigmetalls zugeschaltet, in Förderpausen jedoch abgeschaltet ist. Eine derartige Dosierung im Fall einer elektromagnetischen Förderrinne ist möglich, da der elektromagnetischen Förderrinne im Gegensatz zur elektromagnetischen Pumpe beim Betrieb ein inhärenter Regelmechanismus für die Förderleistung eigen ist, darin begründet, daß das die Förderung bewirkende magnetische Wanderfeld in einer Richtung senkrecht zur Förderrichtung stark inhomogen ist. Die Regelung einer elektromagnetischen Förderrinne wird dadurch im Vergleich zur elektromagnetischen Pumpe, bei der aufgrund der weitgehenden Homogenität des fördernden Magnetfeldes kein systembedingter Regelungseffekt auftritt, wesentlich vereinfacht. Der Einsatz einer Förderrinne ist allerdings dadurch, daß sie im Gegensatz zur elektromagnetischen Pumpe nicht unter Druck fördern kann, substantiellen Einschränkungen unterworfen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines vereinfachten Verfahrens zur Dosierung von Flüssigmetall mit einer elektromagnetischen Pumpe, welches mit einem geringen Aufwand an Instrumentierung und Regelungstechnik auskommt. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach dem Anspruch 1 vorgeschlagen. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß die Leistung, welche in den Förderpausen zur Einhaltung einer bestimmten Förderhöhe in einem Zuführsystem nötig ist, schon alle für die Regelung benötigten Informationen über das Fördersystem enthält. Bei einem niedrigen Spiegel der Schmelze im Schmelzenbehälter beispielsweise oder bei hoher Schmelzentemperatur wird schon in den Förderpausen eine erhöhte, Leistung zur Einhaltung der bestimmten Förderhöhe im Zuführsystem benötigt. Es ist daher nicht nötig, die entsprechenden Parameter im Schmelzenbehälter zu messen. Vielmehr kann man während der Förderzeiten die Pumpleistung immer um einen bestimmten Betrag über die Pausenleistung erhöhen und erreicht dadurch eine konstante Fördermenge pro Zeiteinheit, so daß eine präzise Dosierung durcg reine Zeitsteuerung des Pumpvorganges möglich ist. Dies vereinfacht die Steuerung des Dosiervorganges. Außer einem Füllstandsfühler wird keine weitere Instrumentierung benötigt. Das bisher beschriebene Verfahren weist jedoch bei sehr hohen Anforderungen an die Genauigkeit eine Schwierigkeit auf. Die Flüssigmetallsäule im Zuführsystem ist eine schwingfähige Masse, deren Einregelung auf einen bestimmten Sollwert mit einem einfachen Proportionalregler nicht genügend genau ist. Es muß daher ein Regler mit Integralanteil, vorzugsweise ein PID-Regler oder ein ID-Regler verwendet werden. Geregelt wird die Leistung der Förderpumpe und gemessen wird der Füllstand, d.h. die Höhe der Flüssigmetallsäure im Zuführsystem. Bei dieser Art der Regelung stellt sich keine konstante Leistung zur Einhaltung einer bestimmten Flüssigmetallsäulenhöhe ein, sondern es finden während der Förderpause ständig kleine Regelschwankungen statt. Dennoch läßt sich der Mittelwert der Leistung in den Förderpausen, welcher für das erfindungsgemäße Verfahren von Bedeutung ist, leicht ermitteln, indem der Integralanteil der Reglers getrennt gemessen, bzw. berechnet wird, woraus sich dann der Mittelwert der Leistung ergibt, zu dem die zusätzliche Leistung in den Förderzeiten addiert werden muß.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 3 vorgeschlagen, daß der Flüssigmetallstrom im Zuführsystem, vorzugsweise in dessen End- bzw. Auslaßbereich mittels einer definierten Drosselstelle gedrosselt wird. Bei einer reinen Zeitsteuerung der Dosiervorrichtung ist es wichtig, daß in den Förderzeiten immer konstante Fördermengen pro Zeiteinheit erreicht werden, wobei sich diese im Laufe der Betriebszeit nicht verändern sollen. Durch eine definierte Drosselstelle werden Einflüsse von sonstigen Ablagerungen im Zuführsystem stark verringert, da im wesentlichen der Querschnitt der Drosselstelle die Fördermenge pro Zeiteinheit bestimmt
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 4 vorgeschlagen, daß in den Förderpausen der nicht mit Flüssigmetall gefüllte Bereich des Zuführsystems unter Schutzgas gehalten wird, und zwar durch schwallartige Zufuhr am Ende der Förderzeiten und durch geringe Zufuhr in den Förderpausen. Diese Maßnahme, welche insbesondere für leicht oxidierbare Flüssigmetalle, beispielsweise Magnesium, von Bedeutung ist, verringert zusätzlich das Risiko von oxidischen Ablagerungen im Zuführsystem.
Ergänzend dazu wird im Anspruch 5 noch vorgeschlagen, daß am Ende der Förderzeiten nach Beendigung des Flüssigmetallflusses das Ende des Zuführsystems mittels eines Schiebers oder dergleichen verschlossen wird. Dadurch wird das System weitgehend gegen Sauerstoffzufuhr abgedichtet, ohne daß der Verbrauch an Schutzgas besonders hoch wird.
Normalerweise zeigt jede elektromagnetische Pumpe eine funktionale Abhängigkeit der Förderdruckes _AP bei gegebenem Quadrat des Spulenstromes 1² von der Temperatur der Schmelze. Wird die Pumpe so ausgelegt, daß eP/l² möglichst unabhängig von der Schmelzentemperatur ist, was durch entsprechende Geometrie und Spulendimensionierung möglich ist, braucht die Regelung nur noch den Flüssigmetallspiegel im Schmelzenbehälter, nicht jedoch die Schmelzentemperatur zu berücksichtigen, wodurch die Genauigkeit erhöht wird.
Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung ein Dosiersystem für Flüssigmetall mit seinen zugehörigen Regeleinrichtungen. Besonders im Maßstab herausgestellt ist der Gießkopf 1, welcher von einer Flüssigmetallförderpumpe 2 über ein Zuführrohr 3 mit Flüssigmetall gefüllt werden kann. Das Flüssigmetall stammt aus einem hier nicht dargestellten üblichen Schmelzenbehälter oder dergleichen. Der Gießkopf 1 weist eine Vorkammer 4, einen Überlaufabschnitt 7 und eine Auslaßkammer 8 auf. In der Vorkammer 4 ist eine Füllstandsmeßanordnung 5 angeordnet, und zwar vorzugsweise ein induktiver Füllstandsmesser, welcher von unten in ein entsprechendes Sackrohr einführbar ist. Mittels dieses Füllstandsmessers 5 kann der Flüssigmetallspiegel 6 in der Vorkammer 4 genau gemessen und in den Förderpausen auf einen ganz bestimmten Sollwert präzise eingeregelt werden. Der Überlaufabschnitt 7 bzw., wie hier dargestellt die Auslaßkammer 8 weist eine Drosselstelle 9 auf, welche einen definierten Förderquerschnitt für das Flüssigmetall bildet. Ferner weist die Auslaßkammer 8, vorzugsweise hinter der Drosselstelle 9 eine Schutzgaseinspeisung 10 auf, durch welche Schutzgas zugeführt werden kann. Ein Verschlußschieber 11 am unteren Ende 12 der Auslaßkammer 8, ermöglicht ein Verschließen der Auslaßkammer in Förderpausen. Ein steuerbares Ventil 13 ermöglicht die schwallweise Zufuhr von Schutzgas aus einem Vorratsbehälter 14. Eine zentrale Steuerelektronik 16 steuert den gesamten Dosiervorgang. Dazu wird die Elektronik zunächst mit den in einer Füllstandsmeßelektronik 15 gemessenen Füllstandswerten in der Vorkammer 4 beaufschlagt. Daraus bestimmt die Steuerelektronik 16 die Förderleistung der Förderpumpe 2 in den Förderpausen, so daß ein präziser Füllstand 6 eingehalten werden kann. Während der Förderzeiten erhöht die Steuerschaltung 16 die Förderleistung für eine bestimmte Zeit um einen bestimmten Betrag, so daß die gewünschte Flüssigmetallmenge gefördert wird. Anschließend wird die Förderleistung wieder auf den Ausgangswert reduziert und der Flüssigmetallspiegel 6 der Vorkammer auf den vorherigen Sollwert gebracht. Gleichzeitig wird bei Beendigung des Fördervorganges das Ventil 13 geöffnet und ein Schwall Schutzgas in die Auslaßkammer 8 eingelassen. Dadurch wird der Zutritt von Sauerstoff in den Gießkopf 1 verhindert. Durch Schließen des Verschlußschiebers 11 wird die sauerstofffreie Atmosphäre im Gießkopf 1 erhalten und ein Nachtropfen verhindert. Der vorgeschlagene Gießkopf eignet sich in besonderer Weise zur Förderung von Flüssigmetall in Verbindung mit elektromagnetischen Förderpumpen, da diese eine gute Regelbarkeit und schnelle Ansprechzeiten besitzen.

Claims

1. Verfahren zur Dosierung von Flüssigmetall, wobei durch Regelung der Leistung einer elektromagnetischen Förderpumpe in den Förderpausen mittels eines Füllstandsfühlers (5) eine bestimmte Förderhöhe (6) in einem Zuführsystem (3, 4, 7, 8) eingehalten und während der Förderzeiten die Leistung erhöht wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die zur Einhaltung der Förderhöhe (6) in den Förderpausen benötigte Leistung wird gemessen;

b) während der Förderzeiten wird die Leistung um einen bestimmten Betrag über die in den Förderpausen gemessene Leistung erhöht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Förderhöhe während der Förderpause durch einen Regler mit Integralanteil, vorzugsweise einen PID-Regler oder einen ID-Regler erfolgt, wobei der Integralanteil des Reglers getrennt gemessen bzw. berechnet wird, woraus dann der Mittelwert der Leistung in den Förderpausen bestimmt wird, zu dem die zusätzliche Leistung in den Förderzeiten addiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigmetallstrom im Zuführsystem (3, 4, 7, 8), vorzugsweise in dessen End- bzw. Auslaßbereich (7, 8) mittels einer definienten Drosselstelle (9) gedrosselt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Förderpausen der nicht mit Flüssigmetall gefüllte Bereich (7, 8) des Zuführsystems (3, 4, 7, 8) unter Schutzgas gehalten wird, und zwar durch schwallartige Zufuhr am Ende der Förderzeiten und durch geringe Zufuhr in den Förderpausen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der Förderzeiten, nach Beendigung des Flüssigmetallflusses, das Ende (12) des Zuführsystems (3, 4, 7, 8) mittels eines Schiebers (11 )oder dergleichen verschlossen wird.