批式溶解器大吊籃到位信號(hào)檢測(cè)方法的研究與改進(jìn)

李海麗

(中國(guó)核電工程有限公司電儀所，北京 100840)

批式溶解器大吊籃到位信號(hào)檢測(cè)方法的研究與改進(jìn)

李海麗

(中國(guó)核電工程有限公司電儀所，北京 100840)

針對(duì)動(dòng)力堆乏燃料后處理中間試驗(yàn)廠中批式溶解器大吊籃到位信號(hào)無法有效檢測(cè)的問題，從理論方面論證了吹氣檢測(cè)法的可行性，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果重新提出了設(shè)備加工要求。在原檢測(cè)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)并通過多組試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：在設(shè)備滿足加工要求的前提下，運(yùn)用吹氣法檢測(cè)批式溶解器大吊籃到位信號(hào)的成功率為100%。

大吊籃到位信號(hào)檢測(cè) 吹氣檢測(cè)法 批式溶解器 吹氣流量 測(cè)量孔孔徑

對(duì)動(dòng)力堆乏燃料進(jìn)行后處理實(shí)現(xiàn)核燃料的閉式循環(huán)，對(duì)有效利用鈾資源，實(shí)現(xiàn)我國(guó)核能可持續(xù)發(fā)展，具有重要作用[1]。目前，我國(guó)唯一的動(dòng)力堆乏燃料后處理中間試驗(yàn)廠已經(jīng)順利通過了熱調(diào)試，但它無法正常檢測(cè)溶解器大吊籃是否到位[2]，如果加工新的溶解器，開展大吊籃到位信號(hào)檢測(cè)工作是極其必要的[3]。

乏燃料后處理中間試驗(yàn)廠的溶解器設(shè)備安裝在設(shè)備室中，工作人員很難進(jìn)入，因此溶解器大吊籃到位信號(hào)的檢測(cè)采取了非接觸測(cè)量方法[4]。如吹氣檢測(cè)法，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，適用于腐蝕性、放射性、高粘度、強(qiáng)腐蝕性、易凝固、易結(jié)晶或含有懸浮顆粒的被測(cè)介質(zhì)的液位測(cè)量，在國(guó)內(nèi)外核工業(yè)領(lǐng)域、船用倉(cāng)儲(chǔ)計(jì)量等方面獲得了廣泛應(yīng)用[5,6]。經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)外乏燃料后處理中間試驗(yàn)廠溶解器的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前溶解器大吊籃到位信號(hào)的檢測(cè)方法除吹氣檢測(cè)法外，還有一種通過升降電機(jī)上的編碼器信號(hào)判斷是否到位的方法。但由于大吊籃纜繩為軟繩，當(dāng)大吊籃在下降過程中卡在溶解管上時(shí)，無法通過升降電機(jī)的編碼器信號(hào)來判斷大吊籃是否到位。為此，根據(jù)批式溶解器工作環(huán)境的強(qiáng)放射性、強(qiáng)腐蝕性等特點(diǎn)[7]，筆者選用吹氣檢測(cè)法檢測(cè)大吊籃到位信號(hào)，并從理論和試驗(yàn)兩方面對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證，最終在原方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了探索性改進(jìn)設(shè)計(jì)，為后續(xù)設(shè)計(jì)動(dòng)力堆乏燃料后處理中間試驗(yàn)廠批式溶解器大吊籃到位信號(hào)檢測(cè)方案提供參考依據(jù)。

1 理論分析①

大吊籃座上的測(cè)量孔在大吊籃到位后被堵住的程度是決定到位信號(hào)能否檢測(cè)到的重要因素，而這主要取決于兩個(gè)接觸面的表面粗糙度和角度公差。當(dāng)兩個(gè)接觸面接觸后，由角度公差過大造成的測(cè)量孔泄漏面積過大將導(dǎo)致斷面壓力變化不明顯，從而無法判斷出到位信號(hào)。因此，必須通過計(jì)算提出嚴(yán)格的加工要求，并對(duì)零件進(jìn)行檢驗(yàn)后再焊接加工設(shè)備。然而由于調(diào)試時(shí)中間試驗(yàn)廠的批式溶解器設(shè)備已經(jīng)加工完畢，無法對(duì)該部件進(jìn)行加工精度的檢測(cè)，因此，加工缺陷是可能導(dǎo)致無法檢測(cè)出到位信號(hào)的主要原因。

2 公式推導(dǎo)與理論計(jì)算

2.1公式推導(dǎo)

根據(jù)原設(shè)計(jì)，測(cè)量孔(孔徑φ3mm)細(xì)節(jié)放大圖如圖1所示。1-1斷面為測(cè)量孔，為方便計(jì)算，將測(cè)量孔被堵住的情況近似為測(cè)量孔連接一個(gè)直徑更小的短管，短管的出口直通溶解器內(nèi)部，即2-2斷面。

根據(jù)恒定氣流能量方程[8]，以0-0為基線，1-1、2-2斷面的能量方程為：

(1)

式中p1、p2——斷面1-1、2-2處的靜壓，Pa；

圖1 測(cè)量孔細(xì)節(jié)放大圖

pl1-2——流動(dòng)壓強(qiáng)損失；

v1、v2——斷面1-1、2-2處的流速，m/s；

ρ——空氣密度，kg/m3。

由于小管長(zhǎng)度很短，沿程阻力損失小，因此可忽略不計(jì)。壓縮氣體通過測(cè)量孔最終流入溶解器內(nèi)部，經(jīng)過兩次局部壓力損失。即pl1-2由兩部分組成，一部分為突然縮小的局部損失p1-2，即從斷面1-1到2-2的過程；另一部分為從小孔到溶解器內(nèi)部時(shí)突然擴(kuò)大的局部損失p2-0，即從斷面2-2到溶解器內(nèi)部的過程。計(jì)算式為：

pl1-2=p1-2+p2-0

(2)

根據(jù)能量損失公式[8]：

(3)

其中，ξ為局部阻力系數(shù)，v為流體速度。

對(duì)于突然縮小的情況，有：

(4)

對(duì)于突然擴(kuò)大的情況，有：

(5)

式中A0——小孔出口后的面積，mm2；

A1——斷面1-1處的面積，mm2；

A2——斷面2-2處的面積，mm2。

將式(4)、(5)代入式(2)、(3)中可以得到：

(6)

將式(6)代入式(1)中可以得到恒定氣流能量方程為：

(7)

簡(jiǎn)化后：

(8)

根據(jù)流量守恒原理，有：

(9)

式中Q——吹氣流量，L/h；

r——測(cè)量孔半徑，mm。

將式(9)代入式(8)整理后得到：

(10)

由于：

用于橋面鋪裝層的玄武巖纖維增強(qiáng)聚合物混凝土試驗(yàn)研究……………………………………………………… 房金剛（2-105）

(11)

式中h——大吊籃到位后，兩個(gè)接觸面在測(cè)量孔中心處的距離，mm。

則將式(11)代入式(10)后可得：

(12)

由式(12)整理可得：

(13)

2.2理論計(jì)算

由式(12)可以看出，靜壓的變化與大吊籃到位后兩接觸面在測(cè)量孔中心處的垂直距離h、吹氣流量Q、測(cè)量孔孔徑r和空氣密度ρ有關(guān)。靜壓的變化值越大，檢測(cè)到的壓差值變化越大，大吊籃到位信號(hào)越容易檢測(cè)。Q越大壓差值越大，但不存在檢測(cè)孔徑越小壓差值越大的情況。由式(13)可以看出，當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí)，h越小，靜壓的變化值越大。

2.2.1偏差角度

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)吹氣流量Q=10L/h，測(cè)量孔半徑r=1.5mm，空氣密度1.2kg/m3，靜壓差400Pa，并將所有參數(shù)代入式(12)中，計(jì)算得到h≈0.018mm。

如圖2所示，測(cè)量孔布置在接觸面垂直方向中心位置處，L為已知長(zhǎng)度，根據(jù)三角公式即可算出角度α的值。據(jù)此可以對(duì)設(shè)備加工提出具體要求，即最大偏差不得使兩接觸面角度大于α。

圖2 大吊籃到位偏差角度示意圖

由于測(cè)量孔孔徑和吹氣流量也是主要影響因素，因此在改進(jìn)設(shè)計(jì)中考慮選用不同孔徑的測(cè)量孔在不同吹氣流量下進(jìn)行對(duì)比。參考原設(shè)計(jì)中的測(cè)量孔直徑(φ3mm)，另外設(shè)計(jì)兩對(duì)直徑分別為φ2mm和φ4mm的測(cè)量孔。以h=0.018mm、ρ=1.2kg/m3為前提，當(dāng)吹氣流量分別為5、10、20、40l/h時(shí)，代入式(12)中可以計(jì)算得到各測(cè)量孔在不同流量下產(chǎn)生的靜壓差p1-p2值，如圖3所示。

圖3 不同孔徑不同流量下的靜壓差計(jì)算值

直徑為φ2mm、φ3mm、φ4mm的測(cè)量孔在滿足設(shè)備加工要求(h≤0.018mm)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)吹氣流量是可以在大吊籃到位后檢測(cè)出明顯的壓力變化的。此時(shí)，吹氣檢測(cè)法測(cè)量大吊籃到位信號(hào)的方法理論上是可行的。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的可行性，結(jié)合500kg鈾批式溶解器科研樣機(jī)大吊籃到位信號(hào)檢測(cè)部分的設(shè)計(jì)需求，依照上述理論分析，在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)大吊籃到位信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

根據(jù)理論分析，影響壓差值的因素主要有偏差角度α(垂直距離h)、測(cè)量孔孔徑r和吹氣流量Q。改進(jìn)設(shè)計(jì)中，通過對(duì)設(shè)備加工提出角度公差不能大于α的要求控制垂直距離h；設(shè)計(jì)3對(duì)孔徑分別為φ2mm、φ3mm、φ4mm的測(cè)量孔，用于考量測(cè)量孔孔徑r對(duì)壓差值的影響；試驗(yàn)中分別改變吹氣流量的大小，用于考量吹氣流量Q對(duì)壓差值的影響。

3.1設(shè)備條件

在大吊籃支撐面垂直方向的中心位置處分別開一對(duì)直徑為φ2mm、φ3mm、φ4mm的測(cè)量孔和一個(gè)直徑為φ17mm的參考孔，并預(yù)留兩個(gè)盲孔備用。

為保證完全抵消液位差帶來的壓力差，測(cè)量孔需與參考孔在同一水平位置上，具體設(shè)計(jì)要求如下：

a.φ3mm測(cè)量孔的中心線位于接觸面垂直方向的正中心位置，參考孔的開孔中心線和φ2mm、φ4mm測(cè)量孔的φ17mm外套大孔的中心線均與φ3mm測(cè)量孔的φ17mm外套大孔的中心線平齊；

b. 為防止殘液滯留在外套大孔中，要求所有測(cè)量孔的下邊緣均與外套大孔的下邊緣平齊；

c. 依據(jù)理論分析，提出設(shè)備加工要求，兩接觸面角度公差不得大于α。

3.2儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)在控制間上位機(jī)上遠(yuǎn)程控制吹氣流量，改進(jìn)設(shè)計(jì)中選用了質(zhì)量流量控制器來進(jìn)行吹氣流量的調(diào)節(jié)。同時(shí)為了驗(yàn)證原設(shè)計(jì)的可行性，保留了原吹氣裝置的設(shè)計(jì)，使吹氣裝置和質(zhì)量流量控制器互為備用。大吊籃到位信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

根據(jù)理論計(jì)算值，減壓閥后壓力變送器量程選為0.0～0.3MPa；質(zhì)量流量控制器量程選為0～100L/h；兩臺(tái)差壓變送器量程選為0～10kPa；吹氣裝置流量調(diào)節(jié)范圍選為0～60L/h。

到位信號(hào)的檢測(cè)過程為：選定一對(duì)測(cè)量孔，打開或關(guān)閉相應(yīng)的閥門，在上位機(jī)設(shè)定吹氣流量，待吹氣流量穩(wěn)定并達(dá)到設(shè)定值后，進(jìn)行到位信號(hào)試驗(yàn)。通過記錄差壓變送器到位前后的數(shù)值變化來判斷大吊籃到位情況。當(dāng)兩臺(tái)差壓變送器中有一臺(tái)的壓差值在到位前后有明顯變化就可以判斷大吊籃到位了。

圖4 大吊籃到位信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

4.1試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)思路為：分別在溶解器內(nèi)部無水和有水兩種情況下進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證不同孔徑、不同流量下的檢測(cè)情況，每種情況隨機(jī)吊起放下大吊籃5次，并記錄數(shù)據(jù)，壓差值取每種情況下兩臺(tái)差壓變送器中數(shù)值較大的一個(gè)。由于結(jié)果類似，僅列出有水條件下的試驗(yàn)結(jié)果。

有水條件下，大吊籃未到位時(shí)，記錄不同流量下不同測(cè)量孔徑的壓差值如圖5所示?？梢钥闯觯蟮趸@未到位時(shí)，差壓變送器的最大顯示值為0.27kPa。

圖5 未到位時(shí)不同吹氣流量不同 孔徑下的壓差值比較

有水條件下，根據(jù)數(shù)據(jù)記錄表，分別繪制了在5、10、20、40L/h吹氣流量下，各測(cè)量孔在5次隨機(jī)吊起放下大吊籃后的壓差值數(shù)據(jù)趨勢(shì)(圖6)。可以看出，4種不同流量下產(chǎn)生的壓差值均明顯超過圖5的未到位時(shí)最大壓差值0.27kPa；每種吹氣流量下共檢測(cè)了15次，檢測(cè)信號(hào)成功率為100%。

a. 5L/h

b. 10L/h

c. 20L/h

d. 40L/h圖6 到位后不同吹氣流量下各測(cè)量孔的壓差值數(shù)據(jù)趨勢(shì)

有水條件下，根據(jù)數(shù)據(jù)記錄表，分別繪制了在不同吹氣流量下，φ2mm、φ3mm、φ4mm測(cè)量孔在5次隨機(jī)吊起放下大吊籃后的壓差值數(shù)據(jù)趨勢(shì)(圖7)。可以看出，檢測(cè)到的壓差值均明顯大于圖5的未到位時(shí)最大壓差值0.27kPa，檢測(cè)到位信號(hào)的成功率為100%。

a. φ2mm

b. φ3mm

c. φ4mm圖7 到位后各測(cè)量孔在不同流量下 的壓差值數(shù)據(jù)趨勢(shì)

4.2結(jié)果分析

無論溶解器內(nèi)是否有水，由圖6可以看出，對(duì)于同一流量下，并不存在直徑越小的測(cè)量孔產(chǎn)生的壓差值越大的現(xiàn)象，這與理論推導(dǎo)結(jié)果相符。另外，3種孔徑的測(cè)量孔均可測(cè)得壓差值，且無明顯區(qū)別。

無論溶解器內(nèi)是否有水，由圖7可以看出，對(duì)于同一孔徑的測(cè)量孔來說，吹氣流量越大，測(cè)得的壓差值越大，這與理論推導(dǎo)結(jié)論相符。

在有水的情況下，由圖6d、7可以看出，大部分檢測(cè)點(diǎn)測(cè)得的壓差值存在超量程現(xiàn)象。根據(jù)后續(xù)試驗(yàn)觀察，差壓變送器確實(shí)存在長(zhǎng)時(shí)間超量程的現(xiàn)象。因此，差壓變送器的量程(0～10kPa)選擇偏小。

綜上所述，在有無水的情況下，各進(jìn)行了60次隨機(jī)試驗(yàn)。除無水情況下吹氣流量為5L/h時(shí)存在一個(gè)檢測(cè)失敗點(diǎn)外，其他隨機(jī)試驗(yàn)均可成功檢測(cè)出大吊籃到位信號(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者為解決動(dòng)力堆乏燃料后處理中間試驗(yàn)廠中批式溶解器大吊籃到位信號(hào)無法檢測(cè)的問題，從理論方面進(jìn)行了推導(dǎo)，在推導(dǎo)結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)吹氣法檢測(cè)大吊籃到位信號(hào)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并通過具體試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，加工缺陷是導(dǎo)致無法檢測(cè)大吊籃到位信號(hào)的主要原因，在設(shè)備滿足加工要求的前提下，運(yùn)用吹氣法檢測(cè)批式溶解器大吊籃到位信號(hào)的方法是可行的。

[1] 章澤甫,王俊峰,張?zhí)煜?等.動(dòng)力堆核燃料后處理工學(xué)[M].北京:中國(guó)原子能出版社,2013:13.

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DetectionMethodResearchandImprovementforSignalsofBatchDissolver’sBigBasketinPlace

LI Hai-li

(ElectricalandInstrumentInstitute,ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100840,China)

TH816

A

1000-3932(2016)12-1276-06

2016-07-02(修改稿)