利用級聯(lián)精料流末端機組控制產(chǎn)品豐度方法的研究應用

張兆旸，李江紅

(中核蘭州鈾濃縮有限公司，甘肅 蘭州 730065)

現(xiàn)行離心級聯(lián)的產(chǎn)品豐度的控制主要通過孔板的聲速條件特性及級聯(lián)末端回流調(diào)節(jié)器的回流改變末級供料豐度而實現(xiàn)的。此種豐度控制方法需要級聯(lián)精料料流補壓機有較高的運行頻率，需要流量調(diào)節(jié)器與孔板的配合，需要級聯(lián)末端回流調(diào)節(jié)器的配合，涉及的設(shè)備較多，且設(shè)備負荷較重，任意一個環(huán)節(jié)出問題都可能到導致級聯(lián)停產(chǎn)。

1 級聯(lián)末端結(jié)構(gòu)簡介

級聯(lián)末端結(jié)構(gòu)一般如圖1所示。

圖1 級聯(lián)末端結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of cascade end structure

級聯(lián)末端級分別為N-2級、N-1級，N級，對于級聯(lián)中的單個級，該級的貧料壓力是控制該級分流比的量化方法；各級的分流比通過圖中所示T1、T2、T3三個壓力調(diào)節(jié)器控制，壓力調(diào)節(jié)器的主要作用是控制來流方向的工質(zhì)壓力。級聯(lián)最后一級的精料即為整個級聯(lián)的產(chǎn)品，加壓設(shè)備P吸入級聯(lián)最后一級分離出的工質(zhì)，對其出口端壓力進行提升，圖示中流量調(diào)節(jié)器T流的作用是控制T流出口處的壓力，配合孔板對級聯(lián)的產(chǎn)品流量進行控制?；亓髡{(diào)節(jié)器T回是壓力調(diào)節(jié)器，其作用是調(diào)節(jié)N級出口處的壓力，保證N級出口處也就是加壓設(shè)備P入口處的壓力穩(wěn)定。

2 利用級聯(lián)精料流末端機組控制產(chǎn)品豐度的方法

本實驗所研究的內(nèi)容是通過級聯(lián)末端的壓力調(diào)節(jié)器改變末級的分流比從而控制級聯(lián)的最終產(chǎn)品豐度。新的方法不需要精料流中的流量調(diào)節(jié)器和孔板，不需要級聯(lián)末端的回流調(diào)節(jié)器，且料流中補壓機的頻率不需要太高，從而降低了級聯(lián)停產(chǎn)的概率。

2.1 新方法運行方式

利用級聯(lián)末端機組控制產(chǎn)品豐度時，控制N級出口處壓力的回流調(diào)節(jié)器T回所在的線路將被截斷，流量調(diào)節(jié)器T流將調(diào)整至全開狀態(tài)，不再對其出口端的壓力進行控制，孔板不再具有流量控制作用，相應的級聯(lián)末端結(jié)構(gòu)示意圖變?yōu)閳D2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)改變后級聯(lián)末端結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of cascade end structure after change

在級聯(lián)末端結(jié)構(gòu)改變后，級聯(lián)產(chǎn)品的豐度控制將通過壓力調(diào)節(jié)器T2和T3的配合，調(diào)整N-1級和N級的分流比來完成。

2.2 新的豐度控制方法

在新的級聯(lián)末端結(jié)構(gòu)中，由于取消了級聯(lián)精料流流量調(diào)節(jié)器及孔板的流量控制作用，故需要用新的方法來控制產(chǎn)品豐度。

新的豐度控制方法采用平均豐度控制方法。其具體計算方式如下：

(1)

根據(jù)上式，可計算監(jiān)測時間點處容器A內(nèi)平均豐度值。

在日常運行中，只需給出平均豐度控制值及控制限值即可。

記目標豐度的數(shù)值為C0，豐度控制的上限值為Cmax，豐度控制的下限值為Cmin，則有：

Cmax=C0+0.001%

(2)

Cmin=C0-0.001%

(3)

在調(diào)整過程中，可以通過表1來確定調(diào)整方法：

表1 豐度調(diào)整方法

四期級聯(lián)產(chǎn)品目前采用雙罐取料，但是雙罐的取料速率很難做到一致，從而導致對于雙罐的豐度控制并不精確，采取新的控制方法可避免這種不準確因素。

3 實驗結(jié)果及分析討論

對編號為3MC124和3MC199的產(chǎn)品收料容器進行了改變級聯(lián)末端結(jié)構(gòu)后的收料實驗，實驗自2018年12月17日開始至2019年1月9日結(jié)束，試驗周期24d。其中3MC124容器收料5875 kg，3MC199容器收料6850 kg。

3.1 產(chǎn)品豐度控制過程及容器平均豐度變化情況

編號為3MC199的容器產(chǎn)品豐度變化及容器內(nèi)平均豐度變化如圖3所示。

編號為3MC124的容器產(chǎn)品豐度變化及容器內(nèi)平均豐度變化如圖4所示。

在圖3和4中所給出的控制上限和控制下限是根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求得到的，其值為C0±0.05%，精確上限和精確下限是由目前實際控制上下限得到的，與2.2中給出的控制限值一致。

通過圖3和圖4可以看到，在整個產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，實時豐度的變化波動時比較大的，個別實時豐度甚至超出了質(zhì)量要求，這是由于生產(chǎn)過程中的豐度測量異常導致的。但是我們可以看到，在容器結(jié)束工作時，兩個容器的平均豐度均在控制上限和控制下限范圍之內(nèi)，且距離控制限制的距離較大，說明新的控制方法能夠很好的滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

為更方便觀察起見，下面我們分別給出兩個容器平均豐度和精確上下限的圖像。

編號為3MC199的容器內(nèi)平均豐度變化如圖3所示。

編號為3MC124的容器內(nèi)平均豐度變化如圖4所示。

圖3 容器3MC199產(chǎn)品豐度變化及容器內(nèi)平均豐度變化圖Fig.3 Diagram of product abundance and average abundance in 3MC199

圖4 容器3MC124產(chǎn)品豐度變化及容器內(nèi)平均豐度變化圖Fig.4 Diagram of product abundance and average abundance in 3MC124

圖5 容器3MC199產(chǎn)品豐度變化及容器內(nèi)平均豐度變化圖Fig.5 Diagram of product abundance and average abundance in 3MC199

圖6 容器3MC124產(chǎn)品豐度變化及容器內(nèi)平均豐度變化圖Fig.6 Diagram of product abundance and average abundance in 3MC124

由圖4和圖5可以看到，在大部分時間內(nèi)，收料容器的平均豐度都在精確控制限值以外，但是考慮到產(chǎn)品質(zhì)量的要求限制是精確控制限制的50倍，這種波動是可以接受的。需要說明的是，在新的控制方法實驗的過程中，原有的控制方法也進行了控制圖像繪制，但是根據(jù)原有的控制方法繪制的圖像并未出現(xiàn)超出精確控制限值的現(xiàn)象。這種差異，一方面是由于兩個容器收料速率不同而造成的，另一方面也說明新的控制方法對過程控制的要求更高。

3.2 收料速率及級聯(lián)效率比較

選取級聯(lián)末端結(jié)構(gòu)變化前和變化后相同間隔時長的收料速率數(shù)據(jù)，給出變化圖像如圖6所示。

由圖6可以看到，實驗前和實驗后級聯(lián)的產(chǎn)量速率并未發(fā)生明顯的變化，基本保持相同的產(chǎn)量，且波動范圍一致。

選取級聯(lián)末端結(jié)構(gòu)變化前和變化后相同間隔時長的級聯(lián)效率數(shù)據(jù)，給出變化圖像如圖7所示。

圖7 不同末端結(jié)構(gòu)級聯(lián)產(chǎn)品收料速率比較圖Fig.7 Comparison of product flux with different end structures

圖8 不同末端結(jié)構(gòu)級聯(lián)分離效率比較圖Fig.8 Comparison diagram of cascade efficiency of different end structures

由圖7可以看出，實驗前和實驗后級聯(lián)分離效率并未發(fā)生明顯的變化，基本在相同的波動范圍內(nèi)波動。

由圖7和圖8的結(jié)果可以看到，改變級聯(lián)的末端結(jié)構(gòu)并未對級聯(lián)的狀態(tài)產(chǎn)生負面的影響?？梢源_定的是，實驗是成功的，達到了預期的效果。

3.3 精料端機組壓力調(diào)整對產(chǎn)品豐度及流量的影響分析

對精料端機組的壓力調(diào)整過程及豐度變化情況和級聯(lián)產(chǎn)品流量變化情況進行了統(tǒng)計分析。記產(chǎn)品豐度變化率為ΔC，精料端機組二級貧料壓力值變化率為ΔP1，精料端機組第三級壓力值變化率為ΔP2，級聯(lián)產(chǎn)品流量變化率為ΔP。

當精料端機組第三級貧料壓力為P20時，對第二級貧料壓力變化率與產(chǎn)品豐度變化率的進行線性回歸分析，可得如下結(jié)果

ΔC=0.9502ΔP1+0.0003,R2=0.9989

(4)

通過線性回歸分析結(jié)果可得，當精料端機組第三級貧料壓力為P20時，二級貧料壓力變化1.0%，對應產(chǎn)品豐度變化約為0.95%。

當精料端機組第三級貧料壓力為P20時，對第二級貧料壓力變化率與產(chǎn)品流量變化率進行線性回歸分析，可得如下結(jié)果：

ΔP=0.4572ΔP1+0.0003,R2=0.9974

(5)

通過線性回歸分析結(jié)果可得，當精料端第三級貧料壓力為P20時，二級貧料壓力變化1.0%，對應產(chǎn)品流量變化約為0.46%。

當級聯(lián)精料端機組第二級貧料壓力為P10時，第三級貧料壓力變化率與產(chǎn)品流量變化率進行線性回歸分析，可得如下結(jié)果：

ΔP=1.3025ΔP2-0.0034,R2=0.9936

(6)

通過線性回歸分析結(jié)果可得，黨精料端第二級貧料壓力為P10時，三級貧料壓力變化1.0%，對應產(chǎn)品流量變化約為1.30%。

由于實驗過程中可分析數(shù)據(jù)較少，暫未得到第三級貧料壓力變化對產(chǎn)品豐度的影響分析結(jié)果，目前存在以下猜測：在級聯(lián)計算工況壓力附近時，第三級貧料壓力變化±0.40%，同時第二級貧料壓力變化?0.67%時，級聯(lián)產(chǎn)品的流量及豐度近似保持不變。

3.4 新控制方法優(yōu)點分析

利用級聯(lián)精料流末端機組控制產(chǎn)品豐度的方法相對于原有的利用級聯(lián)精料流控制產(chǎn)品豐度的方法，具有以下幾個優(yōu)點：

1)退出了部分關(guān)鍵設(shè)備，如末端機組回流調(diào)節(jié)器，精料取料流調(diào)節(jié)器，精料流孔板，在有效降低運行線路壓力的同時，降低了級聯(lián)因為部分設(shè)備異常引起停產(chǎn)的概率；

2)與原有的控制方法相比，新的控制方法對過程控制的精度更高，可以準確反映出容器內(nèi)實際的累積平均豐度變化值，為取消產(chǎn)品出廠前的液化均質(zhì)環(huán)節(jié)做了一部分前瞻性的工作；

3)原有的利用級聯(lián)精料流控制產(chǎn)品豐度的方法，是通過引入部分混合損失來進行豐度控制的，新的方法避免了刻意的豐度混合損失，為未來通過實驗校正各級分離系數(shù)，提高級聯(lián)效率做了一些鋪墊工作。

4 結(jié)論

對級聯(lián)末端結(jié)構(gòu)進行了改造，直接使用末端機組控制級聯(lián)產(chǎn)品的豐度，對新的方法進行了為期24 d的實驗，通過對實時豐度、容器平均豐度和控制限值的比較，得出了新的豐度控制方法能夠滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的結(jié)論。

通過比較結(jié)構(gòu)變化前和變化后的級聯(lián)產(chǎn)品生產(chǎn)速率和級聯(lián)分離效率，說明了，改變級聯(lián)的末端結(jié)構(gòu)并未對級聯(lián)的狀態(tài)產(chǎn)生負面的影響。

對級聯(lián)精料端機組貧料壓力對產(chǎn)品的豐度和流量的影響通過線性回歸分析給出了相對變化率的影響程度分析，初步給出了變化率之間的定量關(guān)系。同時，對新的控制方法相對于原有控制方法的優(yōu)點進行了闡述。

本次實驗取得了成功，新的豐度控制方法可以應用于實際生產(chǎn)。