離心級聯(lián)精料豐度波動原因及調(diào)節(jié)策略

許小龍　王鵬　賴雪梅

【摘 要】精料收料容器平均豐度是鈾濃縮工廠生產(chǎn)過程的主要控制指標(biāo)。離心級聯(lián)精料豐度的波動直接影響精料收料容器平均豐度。通過觀測國內(nèi)離心級聯(lián)實際運行情況，結(jié)合離心分離基礎(chǔ)原理，對離心級聯(lián)精料豐度波動的原因進行了分析。針對目前離心級聯(lián)精料豐度調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化程度低，缺乏過程控制，存在過多調(diào)節(jié)、混合損失大、總體風(fēng)險高的問題，進行了離心級聯(lián)精料豐度調(diào)節(jié)策略研究。級聯(lián)精料豐度波動的客觀現(xiàn)象不可避免，主要原因是當(dāng)前工藝水平下分離級貧料壓強與級聯(lián)供料流量，水溫與空氣溫度，輕雜質(zhì)含量是持續(xù)波動的。在此基礎(chǔ)上，提出了級聯(lián)精料豐度調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)流程，整個過程分為初始階段、調(diào)節(jié)階段和風(fēng)險控制階段。

【關(guān)鍵詞】離心級聯(lián);豐度調(diào)節(jié);標(biāo)準(zhǔn)化;流程

中圖分類號： F416.23文獻標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）17-0020-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.008

0 引言

鈾濃縮是生產(chǎn)核電站燃料的重要工藝環(huán)節(jié)，離心法是目前國際上主流的鈾濃縮生產(chǎn)方法，具有安全、可靠、經(jīng)濟性高的特點。天然鈾中235U豐度占0.711%，鈾濃縮工廠用于將天然鈾中235U豐度提高至核燃料制備水平需要的2%～5%。235U豐度是鈾濃縮工廠產(chǎn)品出廠的重要指標(biāo)，精料收料容器平均豐度是鈾濃縮工廠生產(chǎn)過程的主要控制指標(biāo)。在實際的鈾濃縮過程中，為了保證精料收料容器的平均豐度，在整個容器的收料周期過程中，會對離心級聯(lián)精料豐度進行實時檢測，一般控制級聯(lián)精料豐度檢測值與計算值相對偏差保持在±2%的水平[1]。郝學(xué)元、楊樹青等人研究表明，目前的質(zhì)譜分析技術(shù)可以有效保證精料豐度測量精度達到0.001%[2]。付強、趙魯寶、凈小寧等人對精料影響因素進行了分類并提出了離心級聯(lián)精料豐度的自動化控制策略[1]。

離心級聯(lián)精料豐度在生產(chǎn)過程中始終在一定范圍內(nèi)波動。行業(yè)內(nèi)對波動原因的全面分析和深入探索的相關(guān)著述較少，對于這種波動是否可能消除或者減少，還是不可避免缺乏論述。此外，離心級聯(lián)精料豐度持續(xù)波動的客觀存在要求工藝人員在生產(chǎn)過程中對離心級聯(lián)的精料豐度進行調(diào)節(jié)。目前調(diào)節(jié)的操作只明確了“保證收料容器退出收料時容器內(nèi)平均豐度合格”的目標(biāo)，但對于何時調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)多少等缺乏過程指導(dǎo)、控制，導(dǎo)致級聯(lián)精料豐度調(diào)節(jié)過程中存在過多調(diào)節(jié)，增加了混合損失，以及風(fēng)險較高的問題。文章通過觀測國內(nèi)離心級聯(lián)運

行情況，結(jié)合離心分離基礎(chǔ)理論[3]，對精料豐度波動的影響因素進行全面的歸納分析，并結(jié)合實際運行情況研究離心級聯(lián)精料豐度控制策略。

1 精料豐度波動原因分析

在鈾濃縮工程生產(chǎn)過程中為了加強對離心級聯(lián)精料豐度的監(jiān)控，每4小時從離心級聯(lián)精料流中采樣進行質(zhì)譜分析，在發(fā)現(xiàn)豐度異?；蛘哌M行了調(diào)節(jié)操作后會增加取樣頻次，圖1是連續(xù)觀測記錄某離心級聯(lián)精料豐度波動的情況。級聯(lián)計算過程相關(guān)研究表明[4]，離心級聯(lián)各級貧料壓強和供料流流量與精料豐度相關(guān)。離心分離基礎(chǔ)理論表明單機分離性能與溫度工況相關(guān)，溫度工況在運行實踐過程中主要表現(xiàn)為離心機冷卻水溫度和空氣溫度。此外，離心級聯(lián)運行實踐表明級聯(lián)中的輕雜質(zhì)含量與精料豐度相關(guān)。

1.1 分離級貧料壓強與級聯(lián)供料流量

目前國內(nèi)外的鈾濃縮用離心級聯(lián)可以分為剛性級聯(lián)和柔性級聯(lián)[4]，兩種類型級聯(lián)計算過程類似。圖2是剛性級聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖，其中每一個矩形代表了級聯(lián)中的一級，每一級貧料壓強不同，可單獨調(diào)整。F、C0分別為級聯(lián)供料流量和供料豐度，W、CW分別為級聯(lián)貧料流量和貧料豐度，P、CP分別為級聯(lián)精料流量和精料豐度，其中F參數(shù)可以通過專用裝置調(diào)整。級聯(lián)各分離級的貧料壓強（包括每一級的壓強數(shù)值）和供料流量能夠決定級聯(lián)狀態(tài)，并最終決定級聯(lián)精料豐度[4]。級聯(lián)中各分離級貧料壓強由各自的壓強調(diào)節(jié)器來保證穩(wěn)定，通過專用儀表可實時監(jiān)測壓強;供料流量主要有供料流的流量調(diào)節(jié)器來保證，與孔板前壓強滿足音速孔板條件，可以孔板前壓強間接監(jiān)測供料流量。通過對國內(nèi)某級聯(lián)運行數(shù)據(jù)觀測，分離級貧料壓強波動的幅度約為0.2mmhg，孔板前壓強波動幅度約為0.1mmhg。

1.2 水溫與空氣溫度

離心機的分離過程（即235U豐度提高的過程）是可分為徑向分離過程和軸向分離過程。徑向分離過程由235U與238U在離心場中的不同壓強分布決定。軸向分離是在徑向分離的基礎(chǔ)上由于機械、溫度等驅(qū)動，工作氣體（包含235U與235U）在離心機轉(zhuǎn)筒內(nèi)形成內(nèi)部環(huán)流形成軸向的二次分離。無論是徑向分離還是軸向分離都與溫度工況有關(guān)。離心機冷卻水溫度通過專用冷卻水循環(huán)系統(tǒng)來維持，空氣溫度通過專用空調(diào)系統(tǒng)來維持。冷卻水溫度和空氣溫度可以通過溫度計測點進行檢測。通過對國內(nèi)某級聯(lián)運行數(shù)據(jù)觀測，冷卻水溫度的波動幅度約為0.1℃，空氣溫度的波動幅度為0.3℃。

1.3 輕雜質(zhì)含量

級聯(lián)中的輕雜質(zhì)主要來源于供料帶入的輕雜質(zhì)，腐蝕損耗產(chǎn)生的輕雜質(zhì)和系統(tǒng)微漏[5]。級聯(lián)中的輕雜質(zhì)會向精料端機組集中，會使得同樣的離心機精料孔板前壓力下，實際通過孔板的工作氣體流量變小，最終使得離心機分流比減小。此外積累在精料流中的輕雜質(zhì)會使得通過精料流孔板的精料流量變小。同時，級聯(lián)中的輕雜質(zhì)會通過精料收料容器的間歇凈化而減少。級聯(lián)中的輕雜質(zhì)含量會在一定范圍內(nèi)波動。因為精料流量與豐度的乘積在一定范圍內(nèi)基本是常數(shù)，所以精料豐度也會有所影響。

2 精料豐度調(diào)節(jié)策略

導(dǎo)致離心級聯(lián)精料波動的諸多因素是不可避免的，在當(dāng)前階段也難以找到合理經(jīng)濟的做法使其大幅減弱甚至消除，這就決定了應(yīng)在離心級聯(lián)精料波動這一事實的基礎(chǔ)上尋求合理的精料豐度調(diào)節(jié)策略，明確調(diào)節(jié)過程，實現(xiàn)降本增效、風(fēng)險可控。

2.1 基本假設(shè)

根據(jù)國內(nèi)某離心級聯(lián)運行情況，提出以下假設(shè)：

（1）離心級聯(lián)生產(chǎn)豐度為4.45%的精料產(chǎn)品，收料容器收料周期約為15天;

（2）離心級聯(lián)精料豐度能夠在線檢測，至少每4小時能完成一次分析，豐度數(shù)據(jù)精度達到0.001%;

（3）收料容器平均豐度計算時，如果沒有進行豐度調(diào)節(jié)操作，精料豐度與截止當(dāng)前時間的最后一次豐度檢測結(jié)果相同;如果進行了豐度調(diào)節(jié)操作，以調(diào)節(jié)時間點為界限，調(diào)節(jié)時間以前的精料豐度與最后一次豐度檢測結(jié)果相同，調(diào)節(jié)時間以后的精料豐度與調(diào)節(jié)后第一次豐度檢測結(jié)果相同。

2.2 豐度調(diào)節(jié)的目標(biāo)

根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求，兼顧降本增效，離心級聯(lián)精料豐度調(diào)節(jié)目標(biāo)設(shè)定如下：

（1）確保收料容器完成收料時的容器內(nèi)物料的平均豐度在4.449%～4.451%之間;

（2）減少整個收料周期內(nèi)混合損失;

（3）減少收料周期內(nèi)人工調(diào)節(jié)次數(shù)。

2.3 流程設(shè)計

根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求，收料容器完成收料時的容器內(nèi)物料的平均豐度應(yīng)控制在4.449%～4.451%，但是級聯(lián)精料豐度的正常波動范圍遠大于0.002%。如果想在收料初期保證平均豐度為4.449%～4.451%，那需要進行頻繁的調(diào)節(jié)級聯(lián)精料豐度。合理的做法是在收料初期，將級聯(lián)精料豐度控制在合理范圍內(nèi)即可。在收料容器內(nèi)收集了一定質(zhì)量物料后，再對其進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中避免迅速將平均豐度調(diào)節(jié)至規(guī)定范圍內(nèi)。這種調(diào)節(jié)過程分離功混合損失較大，調(diào)節(jié)時豐度波動大，而且后期在較長時間內(nèi)需要重復(fù)調(diào)節(jié)，一種較好的調(diào)節(jié)過程是在一個較長的時間內(nèi)將容易平均豐度逐漸調(diào)節(jié)至規(guī)定范圍。在收料末期，收料容器平均豐度符合規(guī)定要求，收料容器中的物料質(zhì)量很大，此時級聯(lián)精料豐度的波動對其影響較小，在此階段主要是注意異常情況下的風(fēng)險控制。如上所述，將整個收料周期劃分為初始階段、調(diào)節(jié)階段和風(fēng)險控制階段。

假設(shè)整個收料周期為15天，可以設(shè)定初始階段為5天，調(diào)節(jié)階段為8天，風(fēng)險控制階段為2天。以Cp表示級聯(lián)精料豐度，Cr表示收料容器平均豐度，Tr表示產(chǎn)品容器收料時長（小時），Cb表示調(diào)節(jié)級聯(lián)精料豐度時的目標(biāo)豐度，用于計算或查找需要調(diào)節(jié)的精料流孔板前壓強或者精料端部機組的貧料壓強的目標(biāo)值，Cx表示如果不進行豐度調(diào)節(jié)按照當(dāng)前情況收料至某階段結(jié)束時收料容器平均豐度。

2.3.1 初始階段

圖3是初始階段級聯(lián)精料豐度調(diào)節(jié)流程圖。在初始階段，只需將級聯(lián)精料豐度Cp控制在4.44%～4.46%范圍內(nèi)即可，這一范圍涵蓋級聯(lián)精料豐度波動的正常范圍，因此需要人為調(diào)節(jié)的概率較小。

2.3.2 調(diào)節(jié)階段

圖4是調(diào)節(jié)階段級聯(lián)精料豐度調(diào)節(jié)流程圖，這一階段目標(biāo)是用8天時間將收料容器平均豐度平穩(wěn)調(diào)整到4.449%～4.451%范圍內(nèi)。調(diào)整的目標(biāo)豐度Cb應(yīng)滿足公式：

Cr×Tr+Cb（13×24-Tr）=4.450×13×24

調(diào)整后取樣分析得到的第一個豐度數(shù)據(jù)Cp即使不等于目標(biāo)豐度Cb，但能滿足Cx在4.449%～4.451%范圍內(nèi)依然不進行調(diào)整，否則繼續(xù)調(diào)整。

2.3.3 風(fēng)險控制階段

風(fēng)險控制階段時間為2天，精料豐度的調(diào)節(jié)原則與調(diào)節(jié)階段基本相同。因為在調(diào)節(jié)階段結(jié)束時收料容器平均豐度已經(jīng)在4.449%～4.451%范圍內(nèi)，容器中的物料質(zhì)量比較大，因此在風(fēng)險控制階段正常的豐度波動對收料容器平均豐度影響較小，在這一階段進行調(diào)節(jié)的概率較小。這一階段強調(diào)風(fēng)險的控制，如果因為運行工況異常導(dǎo)致精料豐度有較大偏差，立即轉(zhuǎn)換收料容器，精料豐度正常后再轉(zhuǎn)回，確保收料容器平均豐度合格。

3 結(jié)論

（1）在當(dāng)前離心級聯(lián)裝備及運行水平下，離心級聯(lián)的分離級貧料壓強波動的幅度約為0.2mmhg，孔板前壓強波動幅度約為0.1mmhg，冷卻水溫度的波動幅度約為0.1℃，空氣溫度的波動幅度為0.3℃，同時輕雜質(zhì)含量也在周期性波動，這些因素通過影響級聯(lián)計算的準(zhǔn)確性或者離心機本身分離能力導(dǎo)致離心級聯(lián)精料豐度不可避免的波動，波動的幅度一般在0.02%以內(nèi)。

（2）按照收料容器收料周期將精料豐度調(diào)節(jié)分為初始階段、調(diào)節(jié)階段和風(fēng)險控制階段，能夠加強豐度調(diào)節(jié)的過程控制，避免出現(xiàn)過多調(diào)節(jié)、混合損失大且總體風(fēng)險高等問題。在初始階段為5天，只需將級聯(lián)精料豐度控制在4.44%～4.46%即可;調(diào)節(jié)階段為8天，目標(biāo)是用8天時間將收料容器平均豐度平穩(wěn)調(diào)整到4.449%～4.451%范圍內(nèi);風(fēng)險控制階段為2天，強調(diào)遇到運行工況異常導(dǎo)致精料豐度有較大偏差時立即轉(zhuǎn)換收料容器，精料豐度正常后再轉(zhuǎn)回，確保收料容器平均豐度合格。

【參考文獻】

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